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

Die Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit hochporöser Materialien ist nach wie vor ein sehr heterogenes Forschungsfeld. Heterogen, da gerade bei keramischen Wärmedämmstoffen viele Faktoren, wie z.B. die Zusammensetzung der verschiedenen Rohstoffe, die Herstellungart sowie die damit einhergehende unterschiedliche Porosität und Porengrößenverteilung die effektive Wärmeleitfähigkeit als ein Zusammenspiel der Feststoff-, „Strahlungs-“ und Gaswärmeleitfähigkeit in großem Maße beeinflussen. Mit abnehmender Porengröße gewinnt ein weiterer Faktor bei der Gaswärmeleitfähigkeit und damit bei der effektiven Wärmeleitfähigkeit an Bedeutung: der thermische Akkommodationskoeffizient α. Er beschreibt, wie effizient die Wärmeübertragung während der Kollision zwischen einem Gasteilchen und einer (Poren-)Wand stattfindet. Damit spielt er gerade bei Porengrößen im Makro- und Mesobereich – im Bereich erhöhter Knudsen-Zahlen – eine wichtige Rolle bei der Wärmeübertragung. In bestehenden Modellen wurde α vielfach gleich eins angenommen, was jedoch bisher nicht experimentell nachgewiesen wurde. Deshalb wurde in diesem experimentell ausgerichteten Forschungsvorhaben der thermische Akkommodationskoeffizient an keramischen Oberflächen bestimmt (Messbedingungen: 100 bis 500mbar, 30°C bis 100°C/303K bis 373K). Der thermische Akkommodationskoeffizient ist abhängig von der Gasart, dem Oberflächenmaterial, der Temperatur, der Oberflächenbeschaffenheit sowie der Oberflächenkontamination. Die Abhängigkeiten sind nicht immer eindeutig und werden häufig von (De-)Adsorptionsprozessen überschattet. Das im Rahmen dieses Projektes erzielte erste Messergebnis (αCalciumsilikat = 0,2) muss noch detaillierter untersucht (z.B. auf Einfluss der Oberflächenstruktur) bzw. mit anderen Referenzmaterialien erneut gemessen werden. Dennoch ist dieses Resultat höchst interessant, da es die bisherige Annahme von α = 1 für poröse Materialien nicht unterstützt. Der thermische Akkommodationskoeffizient kann demnach nicht willkürlich angenommen, sondern muss experimentell überprüft werden, sodass vorhandene Modelle zur Bestimmung der Gaswärmeleitfähigkeit ebenfalls (nicht) bestätigt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen