Title: Study of the influence of directional spectral emissivities on the heat transfer between cryogenic aluminium surfaces
Language: English
Authors: Holzer, Donat Philipp 
Qualification level: Diploma
Keywords: thermische Isolation; Aluminium; direktionale spektrale Emissivität; Ray-Tracing; Monte Carlo; kryogenik
thermal insulation; aluminium; directional spectral emissivity; ray tracing; monte carlo; cryogenics
Advisor: Störi, Herbert
Issue Date: 2009
Number of Pages: 100
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die thermische Isolation von kryogenischen Geräten (z.B. NMR oder MRI Systemen) hängt stark von den Abstrahlungseigenschaften der verbauten Metalle ab, insbesondere bei Temperaturen von flüssigem Helium.
Die Oberflächen der inneren und äußeren thermischen Schilde sind oft mit Aluminium beschichtet, aufgrund der günstig niedrigen Emissivität dieses Materials. Der thermische Wärmetransfer zwischen diesen Oberfläche wird routinemäßig mit Raytracing-Anwendungen (wie z.B. Thermica) simuliert, wobei hemisphärische totale Emissivitäten verwendet werden, die keinerlei Winkel- oder Wellenlängenabhängigkeit aufweisen.
Zwei theoretische Modelle, das Drude Single Electron Modell und die Anomalous Skin Effect Theorie wurden in dieser Arbeit verwendet, um die Emissionseigenschaften von Aluminium zu berechnen, wobei die Abhängigkeit vom Emissionswinkel und von der Wellenlänge berücksichtig wurden.
Eine Monte-Carlo-Raytracing-Simulationssoftware wurde für eine detailierte Analyse des Einflusses dieser direktional spektralen Emissivitäten erstellt. Diverse geometrische Modelle können in der Software implementiert werden, was das Modellieren von experimentellen Setups und den Vergleich von simulierten Wärmetransferraten mit gemessenen Ergebnissen erlaubt.
Ein kryogenischer Messstand, von dem experimentelle Daten vorliegen, wurde mit der Applikation simuliert und der Effekt von konstanten oder direktionalen spektralen Emissivitätswerten auf den Wärmefluß festgestellt.
Sehr überzeugende Übereinstimmungen zwischen Experiment und Simulationsergebnissen, die auf den genannten theoretischen Modellen beruhen, konnten festgestellt werden.
Darüber hinaus wurden einige relevante Unterschiede zwischen den Simulationsmethoden mit oder ohne Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit identifiziert und teilweise quantifiziert.

Thermal insulation of cryogenic devices (e.g. NMR, MRI systems) is highly dependent on the radiative properties of metals in the liquid helium temperature range. The cold mass outer and the thermal shield surfaces are often made of aluminium because of its low emissivity. The radiative heat transfer between these surfaces is routinely calculated with ray tracing tools (such as Thermica) using hemispherical emissivities with no angular or spectral dependence. Two theoretical models, the Drude Single Electron model and the Anomalous Skin Effect theory, have been used for the prediction of aluminium emission characteristics, thus taking into account the angular and spectral distribution of emission.
A Monte Carlo ray tracing analysis tool has been developed for a detailed study of the influence of the resulting directional spectral emissivity. Various geometrical designs can be implemented in the application. This allows the modeling of experimental set-ups and the comparison of simulated heat flows with experimental data. A cryogenic device tested in an experiment was simulated and the effect of constant and directional spectral emissivities on the radiative heat transfer was determined.
Very satisfactory agreement of experimental data and simulation results derived from the theoretical models could be found.
Furthermore, some relevant differences between the simulation methods with and without directional and spectral dependencies were identified and partially quantified.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-23716
http://hdl.handle.net/20.500.12708/14705
Library ID: AC05040426
Organisation: E134 - Institut für Allgemeine Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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