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Untersuchungen zum Wärmetransport bei hohen Temperaturen (T > 600 °C) in keramischen Schwammstrukturen

Untersuchungen zum Wärmetransport bei hohen Temperaturen (T > 600 °C) in keramischen Schwammstrukturen
Ansprechpartner:

Fischedick, Dietrich, Kind

Förderung:

DFG (KI 709/28-1)

1 Hintergrund

Als feste Schwämme werden hochporöse, offenzellige und daher allseitig Durchströmbare Netzwerkstrukturen aus keramischen oder metallischen Basismaterialien bezeichnet. Aufgrund der hohen Porosität besitzen sie einen vergleichsweise niedrigen Druckverlust. Die große spezifische Oberfläche sowie die kontinuierliche feste Phase begünstigen den Wärmetransport. Mögliche technische Anwendungen für deren Einsatz sind z.B. Porenbrenner, oder Solarturmkraftwerke. Zur Auslegung dieser Technologien sind verlässliche Wärmetransport-modelle bei Durchströmung im Hochtemperaturbereich unbedingt erforderlich.


Abbildung: Fotoaufnahme keramischer Schwämme (links), Porenbrenner IKTS (mitte) , Solarturmkraftwerk Solar Two-Mojave (rechts)

2 Forschungsarbeiten

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die modellhafte Beschreibung des Wärmetransports in keramischen Schwämmen bei hohen Temperaturen. Dabei soll insbesondere der Wärmetrans-port durch Wärmestrahlung berücksichtigt werden.
Ziele, Hypothesen und experimentelle Vorgehensweise:

  1. Homogenes Modell
    • Hypothese ist, dass die bereits in der Vergangenheit erfolgreich für Kugelschüt-tungen verwendete Rosseland-Gleichung auch für Schwammstrukturen anwendbar ist. Anhand von IR-Spektroskopie für verschiedene Schwammtypen sollen die Ab-hängigkeit der Wärmestrahlung von der Zellgröße, der Porosität und des Materials untersucht werden. Die Validierung erfolgt über unabhängige Versuche in einer Hochtemperatur-Zweiplattenapparatur.

    • Hypothese ist, dass die Wärmetransportmechanismen Wärmeleitung und Wärme-strahlung unabhängig voneinander sind.
      Die Zweiphasenwärmeleitfähigkeiten in radialer oder axialer Richtung setzen sich additiv aus einem Wärmeleitungsanteil und einem Wärmestrahlungsanteil zusam-men.
      Durch die Unabhängigkeit der Wärmetransportmechanismen, kann der Wärmelei-tungsanteil aus früheren Arbeiten bei moderaten Temperaturen als bekannt voraus-gesetzt werden. Die erarbeiteten Abhängigkeiten der Wärmeleitfähigkeit von ver-schiedenen Schwammtypen mit unterschiedlichen ppi-Zahlen und Porositäten sol-len auch im Hochtemperaturbereich bestätigt werden. Der Wärmestrahlungsanteil wird analog er 1. Hypothese über die Rosseland-Gleichung bestimmt.
      Die Validierung der Hypothese erfolgt über unabhängige Versuche in einem Hoch-temperatur-Strömungskanal.

  2. Heterogenes Modell
    • Der Wärmeübergangskoeffizient Fluid-Feststoff wird anhand instationärer Expe-rimente im Strömungskanal bestimmt.
  3. Korrelation
    • Die experimentellen Ergebnisse werden in Korrelationen überführt, welche es er-möglichen, mit einfach bestimmbaren Größen die unterschiedlichen Wärmetrans-portmechanismen abzuschätzen.