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Kryokondensation eines Gases innerhalb eines Dämmstoffes
DPG Frühjahrstagung Hamburg 09
Jan Hoffmann
Zentrum für angewandte Energieforschung Bayern e.V
Hamburg 03.03.2009
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Übersicht
• Anwendungen
• Kryokondensation eines Gases• Experimenteller Aufbau und Messmethoden
• Ergebnisse • Zusammenfassung
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Anwendungen
Für die Supraleitung (verlustfreie Stromleitung) werden wärmegedämmte Kabel benötigt.
Das Projekt icefuel® (integrated cable energy system for fuel and power) behandelt Rohrleitungen zum Transport von LH2.
Für eine ausreichende Dämmung ist es notwendig, dass die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffes entsprechend klein ist.
Quelle: [1]
Quelle: [2]
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KryokondensationVergleich der Wärmeleitfähigkeiten
Vergleich von λgas, λrad und λsolid einer Pulverschüttung
0 100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
Wär
mel
eitfä
higk
eit [
10-3 W
/m*K
]
Temperatur [K]
Gaswärmeleitfähigkeit λgas
Festkörperwärmeleitfähigkeit λsolid
Strahlungswärmeleitfähigkeit λrad
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KryokondensationEvakuieren einer Dämmung
105104
103
Vakuum
300 K
mechanisches Evakuieren:
+ gut erprobte Technik
+ sehr geringe Drücke möglich
- Anschlüsse notwendig
- Dauer
- keine Flexibilität nach evakuierenVakuum
Vakuum
Druck [Pa] Temperatur [K]
Dämmung
Dämmung
~140 K
6
KryokondensationKryokondensation innerhalb einer Dämmung
105104
300 K
~140 K
Druck [Pa] Temperatur [K]
200 K103
Kryokondensation innerhalb einer Dämmung:
+ Flexibilität während des Verbaus
+ keine Anschlüsse notwendig
+ kurze Zeit
- Restdruck bleibt
- Erhöhung der Festkörperwärmeleitung
Dämmung
Dämmung
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KryokondensationPulverschüttung
REM Aufnahme: Pulverschüttung aus Glaskugeln
Beschreibung durch angepasstes Modell:
• Pulver (Kugeln)
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KryokondensationModell zur Ablagerung innerhalb einer Pulverschüttu ng
Kondensation eines Gases innerhalb einer Pulverschüttung:
Ohne Ablagerung
)()( 2 TT bulkra
solidct λλ =
Homogene Ablagerung Zwickelablagerung
9
KryokondensationFestkörperwärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Abla gerungenformen
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
Wär
mel
eitfä
higk
eit λ
solid
, [W
/m∗K
]
β = Fraction of CO2 deposited at the contact point
λλλλsolid
evakuiertx1.3
x8.7
calculations for 10µm spheres
Berechung von λsolid für beide Fälle:
β=Ablagerung von CO2 am Kontaktpunkt
Berechnung für 10 µm Glaskugeln
Experimenteller Aufbau und MessmethodenAufbau der Messzelle
λtotal, dtotal
T1
T2T3
T4
T5
λ1, d1λ2, d2λ3, d3
λ4, d4
TAdP
totaltotalel
∆=λ
)( 1 ii
iel
TTAdP
i −+=λ
temperature
λ1
λ2
λ3
λ4
T2
T1
T3
T4
T5
d1 d2 d3 d4
position x
11
Ergebnisseeffektive Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Bela dungen
d1
d2
d3
d4
dtotal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
evacuated
ef
fekt
ive
Wär
mel
eitfä
higk
eit λ
tota
l [10-3
W⋅m
-1⋅K
-1]
Schicht
12
Ergebnisseeffektive Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Bela dungen
d1
d2
d3
d4
dtotal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
evacuated 2.77 Vol-‰ CO
2
ef
fekt
ive
Wär
mel
eitfä
higk
eit λ
tota
l [10-3
W⋅m
-1⋅K
-1]
Schicht
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Ergebnisseeffektive Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Bela dungen
d1
d2
d3
d4
dtotal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
evacuated 2.77 Vol-‰ CO
2
5.54 Vol-‰ CO2
ef
fekt
ive
Wär
mel
eitfä
higk
eit λ
tota
l [10-3
W⋅m
-1⋅K
-1]
Schicht
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Ergebnisseeffektive Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Bela dungen
d1
d2
d3
d4
dtotal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
evacuated 2.77 Vol-‰ CO
2
5.54 Vol-‰ CO2
11.1 Vol-‰ CO2
ef
fekt
ive
Wär
mel
eitfä
higk
eit λ
tota
l [10-3
W⋅m
-1⋅K
-1]
Schicht
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Zusammenfassung
� Bedarf für Kryodämmstoffe vorhanden
� Durch Kryokondensation wird die Gaswärmeleitfähigkeit innerhalb der
Dämmung gesenkt (auf „Kosten“ einer Erhöhung der
Festkörperwärmeleitung)
� Die Ablagerung scheint sich homogen auf der Oberfläche des Pulvers abzuscheiden und erhöht die Wärmeleitfähigkeit des Materials um einen kleinen Faktor
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Bilderverzeichnis
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:CERN-cables-p1030764.jpg
[2] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:MAN_Wasserstoffverbrennungsmotor.jpg&filetimestamp=20081016172323
[3] ZAE Bayern e.V.
