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Wärmetransport in einphasig durchströmten festen Schwämmen

Wärmetransport in einphasig durchströmten festen Schwämmen
Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Benjamin Dietrich

Förderung:

DFG (FOR 583 TP1)

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. hochselektive Reaktoren, Porenbrenner, Abgaskatalysatoren oder Solarturmkraftwerke. Zur Auslegung dieser Technologien sind verlässliche Wärmetransportmodelle unbedingt erforderlich. Hierbei wird zwischen homogenen und heterogenen Modellen unterschieden.

2 Forschungsarbeiten

2.1 Transportparameter des homogenen Modells

Mit Hilfe einer Zweiplattenapparatur wurde die Zweiphasen-Ruhewärmeleitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit ohne Durchströmung) für verschiedene keramische Schwämme verschiedener Porositäten und ppi-Zahlen bestimmt. In Form einer Kombination von Wärmeleitwiderständen wurden alle ermittelten Messwerte korreliert, so dass anhand folgender Modellgleichung die Zweiphasen-Ruhewärmeleitfähigkeit abgeschätzt werden kann:

mit    und    

Bei Durchströmung des Schwammes ist die Kenntnis der axialen und radialen Zweiphasen-Wärmeleitfähigkeit notwendig. Die axiale Zweiphasen-Wärmeleitfähigkeit wurde mit einer Methode bestimmt, bei welcher der Schwamm entgegen seiner Durchströmungsrichtung mit einer IR-Lampe beheizt wurde. Mit Hilfe eines PE-Pe-Ansatzes wurden die experimentellen Daten aller untersuchten Schwämme korreliert. Das Ergebnis ist in Abbildung 1 dargestellt.

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Abbildung 1: dimensionslose axiale Zweiphasen-Wärmeleitfähigkeit (PEax) als Funktion der Durchströmungsgeschwindigkeit (Pe) für verschiedene keramische Schwämme

Die Bestimmung der radialen Zweiphasen-Wärmeleitfähigkeit erfolgt über ein stationäres Experiment, bei dem eine konstante Wandtemperatur vorgegeben wird und der Schwamm mit heißer Luft durchströmt wird. Die Datenerfassung und anschließende Korrelation ist momen-taner Stand der Forschung.

2.2 Transportparameter des heterogenen Modells

Wichtige Kenngröße beim heterogenen Modell (getrennte Bilanzierung von Feststoff und Fluid) ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der fluiden und der festen Phase. Dieser wurde mit Hilfe von instationären Experimenten aus dem Aufheizverhalten der Schwamm-struktur bestimmt. Es wurden Wärmeübergangskoeffizienten zwischen 40 und 500 W m-2 K-1 in einem Leerrohrgeschwindigkeitsbereich zwischen 0.5 und 5 m s-1 für verschiedene Schwammtypen ermittelt. Eine Korrelation mit für dieselben Schwammtypen ermittelten Druckverlustdaten zeigt die Anwendbarkeit einer Impuls-Wärmetransport-Analogie ähnlich der Verallgemeinerten Lévêque-Gleichung für Schüttungen und Wärmeübertrager. Das Ergebnis ist in Abbildung 2 dargestellt.

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Abbildung 2: Impuls-Wärmetransport-Analogie für keramische Schwämme

2.3 Veröffentlichungen

  • B. Dietrich, G. Schell, E.C. Bucharsky, R. Oberacker, M.J. Hoffmann, W. Schabel, M. Kind, H. Martin, Determination of the thermal properties of ceramic sponges, Interna-tional Journal of Heat and Mass Transfer 53 (1) (2010) 198-205.
  • B. Dietrich, M. Kind, H. Martin, Axial two-phase thermal conductivity of ceramic sponges – Experimental results and correlation, International Journal of Heat and Mass Transfer 54 (11-12) (2011), 2276-2282.
  • B. Dietrich, Heat transfer coefficients for solid ceramic sponges – experimental results and correlation, International Journal of Heat and Mass Transfer, submitted