Effektive Wärmeleitfähigkeit von Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463473804

Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase stehen seit mehr als zwei Jahrzehnten im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen, die vor allem durch die oft für Nanofluide (NF) berichtete überproportionale Erhöhung der effektiven Wärmeleitfähigkeit leff gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Basisfluides motiviert waren. Forschungen während der letzten zehn Jahre, einschließlich der innerhalb der ersten Förderperiode (FP1) geleisteten Arbeiten für NF und Mikroemulsionen (ME), legten aber dar, dass diese Systeme keine ungewöhnlichen Charakteristika aufweisen. Durch die Beherrschung von genauen Messmethoden wurde gezeigt, dass experimentelle Daten für leff gut durch die effektive Medium-Theorie von Maxwell wiedergegeben werden. Die Untersuchungen aus FP1 ermöglichten u.a. eine Analyse des Verhaltens von leff von NF und ME in Abhängigkeit von Material- und Fluideigenschaften sowie Partikelkonzentration und morphologie. Angeregt durch noch offene und neue Fragestellungen ist das Hauptziel dieses Fortsetzungsantrags eine vertiefte Charakterisierung von leff von Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase, die teilweise eine erhöhte Komplexität im Vergleich zu den in FP1 und in der Literatur untersuchten Systemen aufweisen. Entsprechende Antworten sollen durch die Studie von NF gefunden werden, die eine größere Variation des Wärmeleitfähigkeitskontrasts und/oder der Anisotropie bezüglich Form oder Volumen der dispergierten Phase erlauben. Zur Übertragung der in FP1 getesteten Vorhersagemethoden für Dispersionen mit eher kleinem leff auf solche mit deutlich größeren Werten sollen flüssige Metalllegierungen mit dispergierten festen Nanopartikeln (NP) untersucht werden. Dies ermöglicht eine Variation des Kontrasts von 100 bis zu 0,06, wobei große Abweichungen von 1 auch zur Analyse des Einflusses der Formanisotropie auf leff dienen. Hier werden volumen- und grenzflächenbezogene Beiträge nichtsphärischer fester einphasiger NP zum Verhalten von leff herausgearbeitet, indem eine Ausweitung der in FP1 begonnenen Studien auf oblat- und prolatförmige NP unterschiedlicher Sphärizität erfolgt. Ein weiterer Schritt adressiert die Volumenanisotropie von dispergierten Phasen, die aus zweiphasigen NP bestehen. Hier sollen Analogien zwischen leff von solchen mehrphasigen Dispersionen mit zweiphasigen NP auf Basis fester oder flüssiger Kerne sowie Beziehungen zu den Werten für die zugehörigen Untersysteme herausgearbeitet werden. Zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragen des Fortsetzungsantrages wird mittels einer vorhandenen Messapparatur eine zuverlässige Datenbasis für leff aufgebaut. Die dynamische Lichtstreuung wird zur Ermittlung der Morphologie der dispergierten Phase und der Dispersionsstabilität genutzt. Auf Basis der Messergebnisse sollen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen gefunden werden, um verfügbare Vorhersagemethoden zu testen und weiter zu verbessern, was deren Übertragung auf Dispersionen mit zweiphasigen NP einschließt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen