Aerogel
Aerogel ist ein synthetisches poröses ultraleichtes festes Material, das aus einem Gel stammt, in dem die flüssige Komponente des Gels durch ein Gas ersetzt wurde (während eines überkritischen Trocknungsprozesses). Aerogele können aus einer Vielzahl chemischer Verbindungen hergestellt werden, aber das Grundmaterial für Aerogel ist normalerweise Silizium. Aerogel hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,013 W / m K ∙ . Seine Dichte ist ebenfalls sehr gering und liegt bei etwa 150 kg / m 3 . Dies sind bemerkenswerte wärmeisolierende Eigenschaften. Es ist zu beachten, dass Aerogele möglicherweise eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das darin enthaltene Gas (Luft hat etwa 0,025 W / m ∙ K). Dies wird durch den Knudsen-Effekt verursachteine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit in Gasen, wenn die Größe des Hohlraums, der das Gas umgibt, mit dem mittleren freien Weg vergleichbar wird .
Wärmeleitfähigkeit von Aerogel
Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche gegebener Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto widerstandsfähiger ist das Material gegen Wärmeübertragung und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für Aerogele sind etwa 0.013W / m ∙ K .
Im Allgemeinen beruht die Wärmedämmung in erster Linie auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen . Gase besitzen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften und sind daher ein gutes Isolationsmaterial, wenn sie eingeschlossen werden können (z. B. in einer schaumartigen Struktur). Luft und andere Gase sind im Allgemeinen gute Isolatoren. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Abwesenheit von Konvektion. Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. Aerogel) einfach dadurch, dass sie eine große Anzahl gasgefüllter Taschen aufweisen, die eine Konvektion im großen Maßstab verhindern .
Der Wechsel von Gastasche und festem Material führt dazu, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einer raschen Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten führt.
Beispiel – Aerogel
Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die Wärmestromrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Die Wand ist 15 cm dick (L 1 ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 1 = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und der Außenseite betragen h 1 = 10 W / m 2 K und h 2 = 30 W / m 2K jeweils. Note that this Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.
- Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
- Nehmen Sie nun die Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke Aerogel-Isolierung (L 2 ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 2 = 0,03 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.
Lösung:
Wie bereits geschrieben, beinhalten viele der Wärmeübertragungsprozesse Verbundsysteme und beinhalten sogar eine Kombination aus Leitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es oft zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmedurchgangskoeffizienten , dem sogenannten U-Faktor, zu arbeiten . Der U-Faktor wird durch einen dem Newtonschen Kühlgesetz analogen Ausdruck definiert :
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.
- nackte Wand
Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient ist dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15/1 + 1/30) = 3,53 W/m 2 K
Der Wärmestrom lässt sich dann einfach wie folgt berechnen:
q = 3,53 [W/m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W/m 2
Der Gesamtwärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q . A = 105,9 [W/m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177 W
- Verbundwand mit Wärmedämmung
Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmeübergangswiderstand und ohne Berücksichtigung von Strahlung, lässt sich der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient wie folgt berechnen:
Der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient ist dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15/1 + 0,1/0,013 + 1/30) = 0,125 W/m 2 K
Der Wärmestrom lässt sich dann einfach wie folgt berechnen:
q = 0,125 [W/m 2 K] x 30 [K] = 3,76 W/m 2
Der Gesamtwärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q . A = 3,76 [W/m 2 ] x 30 [m 2 ] = 113 W
Wie zu sehen ist, führt eine Zugabe eines Wärmeisolators zu einer signifikanten Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, eine Zugabe der nächsten Schicht des Wärmeisolators führt nicht zu so hohen Einsparungen. Dies lässt sich besser anhand der Wärmewiderstandsmethode erkennen, mit der der Wärmedurchgang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Rate der stetigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.
