Wärmeleitfähigkeit von Hochtemperaturmaterialien

Abstract

Hochtemperatur-Werkstoffe finden Anwendung bei einer Vielzahl industrieller Produkte und Prozesse wie beispielsweise Stahl, Aluminium, Raffinerie, Müllverbrennung und andere. Als Unterkategorie der Hochtemperatur-Werkstoffe, zeichnen sich die wärmedämmenden Feuerfest-Materialien durch eine hohe Porosität (>45%) und somit durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Hochtemperatur-Materialien gibt es einige dynamische normierte Verfahren (z.B. Kreuzdrahtverfahren, Widerstandsthermometer-Verfahren). Alle diese Verfahren weisen Nachteile auf (z.B.: Abmessung, Anschaffungskosten, Betriebskosten), die optimiert werden können. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines vereinfachten Messverfahrens zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit feuerfester Materialien. Der erste Teil ist eine Literaturrecherche und behandelt den Stand der Technik. Damit sollte geklärt werden wie die normierten Bestimmungsverfahren theoretisch verbessert und vereinfacht werden können. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse wurde daraufhin ein neues Verfahren geplant und experimentell auf seine Eignung überprüft. Zusätzlich wurde mit dem Strömungssimulationsprogramm Fluent® eine thermische Simulation des Verfahrens durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden sieben verschiedene zylindrische Proben des Herstellers RATH-AG herangezogen. Diese wurden mit Thermoelementen versehen, in einen Ofen eingebracht und einer äußeren Temperaturrampe ausgesetzt. Aus den dabei gewonnenen Temperatur-Messwerten wurde im nächsten Schritt die Wärmeleitfähigkeit berechnet und diese mit den Herstellerwerten verglichen. Im Rahmen der Untersuchungen wurden Wärmeleitfähigkeiten von 0,1 bis 3,5 W/mK ermittelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit steigenden Temperaturen generell die Abweichungen zu den Herstellerdaten zunehmen. Für eine Probe (FL24-06) konnte bis 600 °C eine Abweichung von unter 5% erreicht werden. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass sich die verwendete Strahlungs-Abschirmung kontraproduktiv auf eine gleichmäßigende Erwärmung der Probe auswirkt. Für den untersuchten Fall, ohne Abschirmung, ergaben die Simulationsergebnisse über den gesamten Temperaturbereich eine nahezu konstante Abweichung zu den Vergleichsdaten. Mit Strahlungsabschirmung hingegen wiesen die Ergebnisse speziell bei hohen Temperaturen große Abweichungen auf. Die Untersuchungen lieferten wichtige Erkenntnisse über das neue Verfahren. So erwies sich die Nutzung von Thermoelementen Typ K bei sehr hohen Temperaturen (bis 1100 °C) als Problem. Es zeigte sich, dass die verwendeten Thermoelemente die vom Hersteller angegebenen Temperaturen nicht unbeschadet aushalten und der Alterungsvorgang mit fortlaufender thermischer Belastung beschleunigt wird. Sowohl durch eine thermische als auch durch eine mechanische Belastung wird eine Veränderung des Messfehlers der Thermoelemente bewirkt. Wie die Ergebnisse der Experimente und Simulation zeigten, ist eine Strahlungsabschirmung von der Ofenheizung sinnvoll. Doch muss für ein funktionierendes Verfahren sichergestellt werden, dass weder die Erfassung der Daten noch eine gleichmäßige Erwärmung der Probe negativ beeinflusst wird.

Refractory materials are important for many industrial products and processes (e.g. steel, aluminium, refinery, waste incineration). Within these materials there is a distinct group of insulating refractory materials due to their high porosity (>45%) and low thermal conductivity. To determine the thermal conductivity of refractory material there are several standardized procedures (e.g. cross-array-method, resistance-thermometer method). On account of their high costs and difficult execution they are not satisfying (e.g. equipment size, acquisition costs, operating costs) and offer a lot of space for improvement. This thesis tried to find a simplified measurement method to determine thermal conductivity of refractory materials. At the beginning it was worked through the relevant scientific literature to summarize possibilities to improve and simplify the existing standardized methods. Thereafter a suitable method was developed including the results of the bibliographic research. Experimental studies and a numerical simulation were conducted to test its applicability. Manufactured by RATH-AG, seven different samples of refractory materials were used to verify the better applicability of the proposed method. To perform the experiment thermocouples were fixed in and on the surface of the samples. These were posed into a furnace and were heated up to high temperature. The measured data were used to calculate thermal conductivity. Within this experiments thermal conductivity from 0,1 to 0,35 W/mK was calculated. It was shown the deviation between reference data, given by the producer and calculated data proportional to the rising temperature. The lowest deviation with less than five percent was reached with the sample FL24-06. Shielding against radiation deteriorated a homogeneous temperature distribution. If radiation was not shielded, the simulation showed a constant deviation between calculated thermal conductivity and reference data. On the other hand the results of the conducted experiments with radiation shielding, showed increased deviation if exposed to high temperature. Several important conclusions were drawn on account of these experiments. Thermocouples type K cannot be recommended for measurement at high temperatures (1100 °C). The temperature licensed by the producer is implausible and causes an earlier ageing process if applied. Operating a thermocouple for long time in hot environment causes a metallurgical change called "drift". This "drift" and mechanical stress are sources of error in thermocouple measurement. To ensure accurate measurement results it is necessary to shield the thermocouples from radiation heating using a suitable material.