Untersuchung des thermischen Akkommodationskoeffizienten an keramischen Oberflächen bis zu einem Gasdruck von 10-4 mbar

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Groß
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214271243

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Versuchsapparatur zur Bestimmung des thermischen Akkommodationskoeffizienten entwickelt, gebaut, erprobt und für Messungen an metallischen und keramischen Oberflächen verwendet (W, Pt bzw. CaSiO3, SiO2). Das Messprinzip beruht auf einer Anordnung von zwei parallelen waagerechten Platten von geringem Abstand und unterschiedlicher Temperatur, umgeben von einem komplexen System von Schutzheizungen. Der entstehende Spalt enthült ein Gas bei reduziertem Druck (Ar, N2, He). Die Auswertung basiert auf einem physikalisch-mathematischen Modell von Springer (1971) für den Einfluss des Akkommodationskoeffizienten auf die Warmeleitfähigkeit, welches an Messergebnisse bei unterschiedlichen Drücken (vom Übergangsbereich bis hin zum Kontinuum) angepasst wird. Das Erreichen der Messfähigkeit verursachte erhebliche Schwierigkeiten und daraus resultierend starke Verzögerungen in der Bearbeitung des Versuchsprogrammes. Hauptprobleme waren kleinste Wärmeverluste, die trotz aller Vorkehrungen (Schutzheizungen, Strahlungsschutzschirme) nicht völlig zu unterdrücken waren, und zwar (a) innerhalb der einzelnen Heiz-/Schutzheizbereiche, was insbesondere bei sehr geringem Druck (d.h. Warmeleitfähigkeit und erforderlicher Heizleistung) bedeutsam ist; (b) zur Umgebung hin, was wegen nicht vollständig zu unterdrückenden konvektiven Verlusten bei den höheren Drücken auftritt. Dadurch ergaben sich eingeengte Grenzen der Messfähigkeit (Drücke, Wärmeströme, Temperaturdifferenzen): eine Grenzüberschreitung führte schnell zum Versagen der Messfähigkeit. Parallel zum experimentellen Teil stellte es sich als sinnvoll und vorteilhaft heraus, die Messungen durch eine Molekulardynamik-Simulation zu ergänzen. Durch Kooperation mit einer anderen Arbeitsgruppe aus diesem Fachbereich konnten untere Grenzwerte für die zu erwarteten Messergebnisse an CaSiO3 bzw. SiO2 generiert werden. Diese Ergebnisse entsprechen idealen Werten, da keinerlei Adsorption oder auch Rauhigkeit berücksichtigt wurde, welche erhebliche Einflüsse auf den Akkommodationskoeffizienten ausüben. Dies konnte eindrucksvoll anhand einer umfangreichen Literaturstudie aufgezeigt werden. Abschließend kann festgehalten werden, dass mit Hilfe der Molekulardynamik-Simulationen als auch der plausiblen experimentellen Ergebnisse bestatigt werden konnte, dass α ≈ 1 für Ar, N2 als häufig verwendete Gase/α ≈ 0,3 für He für hochporöse Dämmstoffe einer legitimen Annahme entspricht. Dieser Nachweis war bisher in der Literatur nicht erbracht worden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A New Facility for the Experimentel Investigation on Nano Heat Transfer between Gas Molecules and Ceramic Surfaces, Proceedings of 32nd International Thermal Conductivity Conference (ITCC), Purdue University, West Lafayette/USA, 2014
  Bayer, D., Raed, R., Gross, U., Wulf, R.
  
• First Measurements of Thermal Accommodation Coefficients on Ceramic Surfaces, Proceedings of the 34th International Thermal Conductivity Conference (ITCC), Wilmington/Delaware/USA, 2019
  Bayer-Buhr, D., Wulf, R., Fieback, T., Gross, U.