@phdthesis{Reiss1985,
  author    = {Reiss, Harald},
  title     = {Strahlungstransport in dispersen nicht-transparenten Medien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-66669},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {1985},
  abstract  = {In dieser Habilitationsschrift wird das Gesamtgebiet des W{\"a}rmetransports in dispersen Medien untersucht, kompakt, ohne Anspruch auf Vollst{\"a}ndigkeit, jedoch mit Schwerpunkt auf Strahlungstransport in nicht-transparenten Medien; hier sind es bevorzugt hochpor{\"o}se Substanzen, die aus Festk{\"o}rperteilchen bestehen. Die Ergebnisse lassen sich auf andere disperse nicht-transparente Medien wie dichte Gasatmosph{\"a}ren oder einige Zweiphasengemische {\"u}bertragen, wenn Nicht-Strahlungsanteile und Gesamt-Energieerhaltung korrekt formuliert werden. Die vorliegenden Untersuchungen konzentrieren sich auf station{\"a}re Randbedingungen und Strahlungsquellen. Die Motivation zu dieser Arbeit ist mindestens zweifach: Die Trennung des totalen W{\"a}rmestroms in seine Komponenten, in irgendeinem kontinuierlichen oder dispersen Medium, ist eines der herausfordernden, gleichzeitig schwierigsten physikalischen Probleme bei der Analyse des W{\"a}rmetransports; zum zweiten ist es f{\"u}r die Verringerung von W{\"a}rmeverlusten (z. B. in thermischen Isolierungen) dringend erforderlich, die einzelnen Komponenten der W{\"a}rmeverluststr{\"o}me zu kennen, um sie einzeln zu minimieren (das geht offensichtlich nur, wenn man den totalen W{\"a}rmstrom in seine Komponenten zerlegen kann). Die Trennung kann erfolgreich sein, wenn die optische Dicke des untersuchten Mediums sehr groß ist (das Medium ist dann nicht-transparent). In dieser idealen, in der Energietechnik jedoch h{\"a}ufig auftretenden Situation (und nicht nur dort), liefert das Strahlungsdiffusionsmodell den korrekten Ansatz zur Beschreibung des Strahlungsanteils und dessen Temperaturabh{\"a}ngigkeit. Wegen Energieerhaltung und mit der additiven N{\"a}herung erlaubt dieses Ergebnis umgekehrt die Berechnung auch der Nichtstrahlungsanteile im totalen W{\"a}rmestrom; diese sind demnach alle gleichzeitig in kalorimetrischen Messungen zug{\"a}nglich. Damit wird nachfolgende separate Analyse dieser Komponenten mittels geeigneter theoretischer Modelle m{\"o}glich. Da das Temperaturprofil im Medium alle W{\"a}rmestromkomponenten zum totalen W{\"a}rmestrom miteinander koppelt, ist f{\"u}r diesen Ansatz die Kenntnis der Temperaturabh{\"a}ngigkeit auch aller Nicht-Strahlungsanteile erforderlich. Neben der kalorimetrischen Methode kann die Bestimmung der Extinktion des dispersen Mediums und hiermit des Strahlungstransports auch mittels Spektroskopie sowie Berechnung nach der strengen Mie-Theorie der Lichtstreuung und mit dem Rosseland-Mittelwert vorgenommen werden. Dadurch wird ein Vergleich m{\"o}glich zwischen Ergebnissen, die mittels drei voneinander v{\"o}llig unabh{\"a}ngiger Methoden, n{\"a}mlich kalorimetrisch, spektroskopisch und analytisch/numerisch erzielt wurden. Die Ergebnisse stimmen {\"u}berein, wenn das Medium nicht-transparent ist; dieser Nachweis wird in der vorliegenden Habilitationsschrift gef{\"u}hrt. Im ersten Teil der Habilitationsschrift wird in breit angelegtem Review die Fachliteratur zum Strahlungstransport bis zum Jahr 1985 diskutiert und Methoden zur L{\"o}sung der Strahlungstransportgleichung auch im Fall stark anisotroper Streuung beschrieben. Wegen der Forderung nach Energieerhaltung und mit dem oben genannten Ziel, auch die Nicht-Strahlungskomponenten zu analysieren, muß diese Diskussion die theoretischen Aspekte auch dieser Anteile (hier Gas- und Festk{\"o}rperkontakt-W{\"a}rmetransport) einschließen. Den Schluß des ersten Teils bildet ein Katalog offener Fragen, die im zweiten Teil der Habilitationsschrift angegangen werden. Dort werden mittels experimenteller und analytisch/numerischer Ergebnisse das Strahlungsdiffusionsmodell und seine Anwendbarkeit auf disperse nicht-transparente Medien best{\"a}tigt. Die Analysen sind gerichtet auf reine oder mit Infrarot-Tr{\"u}bungsmitteln dotierte Pulver und Faserpapiere; beide sind leicht zug{\"a}ngliche, wohl-definierte Testsubstanzen disperser Medien. Ein wichtiger Teil dieser Untersuchungen enth{\"a}lt Messungen ihrer W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit unter Vakuum und unter externer mechanischer Druckbelastung. Mit evakuierten, druckbelasteten Faserpapieren wurden W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten erzielt, die zu den niedrigsten geh{\"o}ren, die bis 1985 an solchen Medien bei hohen Temperaturen gemessen wurden. Weiter sollen optimale Teilchendurchmesser gefunden werden, mit denen das Extinktionsverm{\"o}gen solcher Sch{\"u}ttungen signifikant erh{\"o}ht werden kann. Insbesondere ist eine exotische Vorhersage der Mie-Theorie zu pr{\"u}fen, nach welcher die Extinktion perfekt elektrisch leitender, langer, extrem d{\"u}nner Zylinder (unter 50 nm) um Gr{\"o}ßenordnungen {\"u}ber derjenigen herk{\"o}mmlicher (nichtleitender) Pulver oder Fasern liegt; hierf{\"u}r sind Materialproben herzustellen. In der Habilitationsschrift wird aufgezeigt, welcher Weg f{\"u}r diesen Nachweis beschritten werden muß (wenige Jahre nach Vorlage der Habilitationsschrift wurden Gustav Mies und Milton Kerkers Vorhersagen auf diesem Weg mit feinsten metallisierten Glasfasern und mit Nickelfasern in Ver{\"o}ffentlichungen des Autors gemeinsam mit J. Fricke, M. Arduini-Schuster, H.-P. Ebert, R. Caps, D. B{\"u}ttner und A. Kreh erstmalig best{\"a}tigt).},
  subject      = {Strahlungstransport},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Geisler2010,
  author    = {Geisler, Matthias},
  title     = {Thermische Charakterisierung selbstevakuierender Kryod{\"a}mmmaterialien durch Ausfrieren von Kohlenstoffdioxid als F{\"u}llgas},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56288},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die thermische Charakterisierung des Einflusses von ausfrierenden F{\"u}llgasen auf die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von W{\"a}rmed{\"a}mmstoffen f{\"u}r kryogene Anwendungen am Beispiel von Kohlenstoffdioxid. Im Allgemeinen wird mit dem W{\"a}rmed{\"a}mmmaterial der W{\"a}rmeverlust eines Gegenstandes herabgesetzt, der eine Temperaturdifferenz im Vergleich zur Umgebung aufweist. Um die Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit eines D{\"a}mmstoffes bei kryogenen Temperaturen, d.h. < 200 K, zu minimieren, wird das meist por{\"o}se D{\"a}mmmaterial in der Regel hinreichend evakuiert, um die Gasw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit zu unterdr{\"u}cken. Zur Evakuierung gibt es mehrere M{\"o}glichkeiten. Meist wird der Gasdruck durch Abpumpen der F{\"u}llgase abgesenkt. In dieser Arbeit wird jedoch das Evakuieren durch „Ausfrieren" des F{\"u}llgases bei tiefen Temperaturen (Desublimations-Evakuierung) realisiert und untersucht. Die Problemstellung der vorliegenden Arbeit bestand zum einen in der experimentellen Untersuchung des W{\"a}rmetransportes unter Ber{\"u}cksichtigung desublimierter Gase in por{\"o}sen D{\"a}mmmaterialien mit verschiedensten Bulk-Strukturen und zum anderen in deren theoretischen Beschreibung. Aus technischen Gr{\"u}nden wurde mit LN2 als Kryogen und mit CO2 als F{\"u}llgas gearbeitet. Die erreichbaren Temperaturen erlauben die Verwendung von CO2 als F{\"u}llgas, da hier der Restgasdruck ausreichend niedrig ist, um bei den untersuchten Proben die Gasw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit zu unterdr{\"u}cken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Messmethode zur Charakterisierung des Einflusses von desublimierten F{\"u}llgasen auf die Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit entwickelt, da die genaue Kenntnis der effektiven W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit f{\"u}r viele technische Anwendungen unerl{\"a}sslich ist. Hierzu wurde einer bestehenden Platten-Apparatur zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsbestimmung ein spezieller Probenbeh{\"a}lter implementiert, welcher die Untersuchung verschiedenster Probenmaterialien erlaubt. Dieser Probenbeh{\"a}lter erm{\"o}glicht die Injektion eines Gases in einen por{\"o}sen Pr{\"u}fk{\"o}rper, welchem eine Temperatur von 77 K auf der kalten Seite und 293 K auf der warmen Seite aufgepr{\"a}gt wurde. Dieses weiterentwickelte station{\"a}re Messverfahren erlaubt neben der Bestimmung der Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der gesamten Probe durch die Einbringung zus{\"a}tzlicher Temperatursensoren in verschieden Positionen des por{\"o}sen Materials auch die Bestimmung der effektiven Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit einzelner Schichten. Um ein breites Spektrum an por{\"o}sen Materialien in dieser Arbeit abzudecken und die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Theorien zu validieren, wurden verschiedene Materialklassen untersucht. Neben einem Melaminharz-Schaum mit Zellgr{\"o}ßen um 100 µm und einem Polyimid-Vlies mit einem effektiven Faserdurchmesser um 7 µm wurden zwei Pulverproben untersucht, zum einen eine Sch{\"u}ttung aus Vollglaskugeln mit Partikeldurchmessern zwischen 1 und 10 µm und eine Sch{\"u}ttung aus getr{\"u}bter Kiesels{\"a}ure mit wesentlich kleineren Prim{\"a}r-Partikeln (<10 nm). Die erarbeiteten theoretischen Modelle zur Berechnung der Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit lassen erwarten, dass die Empfindlichkeit der Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit gegen{\"u}ber abgeschiedenen Gasen je nach Materialklasse unterschiedlich groß ausf{\"a}llt. Als Hauptmerkmal wurde das Vorhandensein von Punktkontakten zwischen den einzelnen Partikeln bzw. Elementen des por{\"o}sen Materials identifiziert, sowie die spezifische Wechselwirkung (CO2-phil/phob). Die Punktkontakte sind mit ihren großen thermischen Widerst{\"a}nden maßgeblich f{\"u}r die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der Festk{\"o}rperstruktur verantwortlich. Durch Ausfrieren der F{\"u}llgase an diesen Punktkontakten werden die thermischen Kontaktwiderst{\"a}nde stark herabgesetzt, so dass ein Anstieg der Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit erfolgt. Dieser f{\"a}llt abh{\"a}ngig vom jeweiligen Material unterschiedlich hoch aus. Die bestehenden Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsmodelle wurden um den Einfluß von desublimierten F{\"u}llgasen erweitert, um diese mit den W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsmessungen zu vergleichen und eine Aussage {\"u}ber den Abscheidemechanismus treffen zu k{\"o}nnen. Das erweiterte Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsmodell f{\"u}r die Vollglaskugel-Sch{\"u}ttung hat z.B. eine sehr starke Abh{\"a}ngigkeit von der geometrischen Verteilung des abgeschiedenen Gases gezeigt. Eine Konzentration der im Mittel abgeschiedenen F{\"u}llgase am Kontaktpunkt zwischen zwei Partikeln einer einfachen kubischen Anordnung erh{\"o}ht die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit um mehr als 800\%, wohingegen die homogene Abscheidung auf der Oberfl{\"a}che nur zu einer moderaten Erh{\"o}hung um ca. 30\% f{\"u}hrt. Die experimentellen Versuche konnten die theoretisch erwarteten großen Anstiege der Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit f{\"u}r die Sch{\"u}ttungen mit einer großen Punktkontaktdichte best{\"a}tigen. Diesen folgt die Polyimid-Faser-Probe mit einer geringen Punktkontaktdichte. Der Melaminharz-Schaum hingegen besitzt keine Punktkontakte und ist CO2-phob. Erwartungsgem{\"a}ß zeigt dieser eine sehr geringe Abh{\"a}ngigkeit in der Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von der injizierten Gasmenge. Absolute Zahlenwerte der mittleren Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten der untersuchten por{\"o}sen Materialien lagen f{\"u}r die Randtemperaturen 77 K und 293 K f{\"u}r die Vollglaskugel-Sch{\"u}ttung bei ca. 12∙10^-3 W/(mK), f{\"u}r die getr{\"u}bte Kiesels{\"a}ure bei ca. 1.7∙10^-3 W/(mK), f{\"u}r die Polyimid-Fasern bei ca. 0.8∙10^-3 W/(mK) und f{\"u}r den Melaminharz-Schaum bei ca. 4.5∙10^-3 W/(mK). Im Rahmen der injizierten CO2-Menge wurden die mittleren Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten bei der Vollglaskugel-Sch{\"u}ttung und der getr{\"u}bten Kiesels{\"a}ure um ca. 15\% im Vergleich zum evakuierten Zustand (ohne desublimiertes F{\"u}llgas) erh{\"o}ht. Die Polyimid-Fasern und der Melaminharz-Schaum wiesen eine Erh{\"o}hung um ca. 7\% bzw. 2\% auf. Die relative Vergr{\"o}ßerung der Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit im k{\"a}ltesten Viertel der Probe fiel prozentual wesentlich st{\"a}rker aus: ca. 300\% f{\"u}r die getr{\"u}bte Kiesels{\"a}ure, ca. 75\% f{\"u}r die Vollglaskugel-Sch{\"u}ttung, ca. 40\% f{\"u}r die Polyimid-Fasern und ca. 5\% f{\"u}r den Melaninharz-Schaum. Die Korrelation der erarbeiteten Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsmodelle mit den gemessenen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten bedurfte jedoch weiterer Eingangsparameter, um eine eindeutige Schlussfolgerung {\"u}ber den Anlagerungsmechanismus (Punktkontaktanlagerung oder homogene Oberfl{\"a}chenanlagerung oder eine Kombination aus beiden) treffen zu k{\"o}nnen. Die Bestimmung der zwingend ben{\"o}tigten absoluten CO2-Verteilung innerhalb der Probe wurde dazu exemplarisch mittels Neutronen-Radiographie an der Vollglaskugelprobe in einem speziellen Probenbeh{\"a}lter am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) durchgef{\"u}hrt. Die so ermittelte CO2-Verteilung innerhalb der Vollglaskugelprobe war in sehr gutem Einklang mit den durchgef{\"u}hrten Monte-Carlo-Simulationen zum Desublimationsverhalten. Das erarbeitete Simulations-Programm beschreibt den molekularen Stofftransport innerhalb eines por{\"o}sen D{\"a}mmmaterials mit ebenfalls 77 K auf der kalten Seite und 300 K auf der warmen Seite. Der Programm-Algorithmus ber{\"u}cksichtigt dabei die spezifischen Adsorptionsenergien, sowie die temperaturabh{\"a}ngige Frequenz mit der ein adsorbiertes Gasmolek{\"u}l an der Oberfl{\"a}che schwingt, welche umgekehrt proportional zur Haftzeit an einem Ort ist. Die Simulation liefert als Ergebnis die durchschnittliche Haftdauer eines Teilchens an einem Ort, welche wiederum proportional zur Verteilung vieler Gasmolek{\"u}le, in diesem Fall der injizierten und anschließend desublimierten Gasmenge, ist. Die Ergebnisse zeigen sehr deutlich die Abh{\"a}ngigkeit der durchschnittlichen Haftzeit von der Temperatur und der Adsorptionsenergie. Weitere Informationen zur Wechselwirkung der CO2-Molek{\"u}le mit den untersuchten Proben lieferten die Adsorptionsmessungen an den Proben mit CO2 als Adsorptiv bzw. Adsorbens nach den Methoden von Brunauer, Emmett und Teller (BET) und der Methode nach Dubinin-Radushkevich (DR). Durch Kombination bzw. Korrelation der verschiedenen Untersuchungsmethoden und den theoretischen Modellen konnte bestimmt werden, dass das CO2 fast ausschließlich als homogene Schicht auf der Oberfl{\"a}che der Vollglaskugeln desublimiert, welche eine entsprechend geringe Temperatur aufweisen. Weiterhin stellte sich heraus, dass eine starke Konzentration an der kalten Seite stattfindet, die zur warmen Seite exponentiell abnimmt. Die Auswertung der Korrelation zeigt Tendenzen einer leicht bevorzugten Abscheidung am Kontaktpunkt bei weiteren injizierten CO2-Mengen in die bereits mit CO2 beladene Probe. Die Betrachtung und Diskussion der Messergebnisse und Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsmodelle der Polyimid-Fasern und der getr{\"u}bten Kiesels{\"a}ure l{\"a}sst auf ein {\"a}hnliches Verhalten bei Desublimation der F{\"u}llgase innerhalb des por{\"o}sen Probenk{\"o}rpers schließen. Die Empfindlichkeit des W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsanstiegs gegen{\"u}ber weiteren Mengen an desublimiertem CO2 nahm tendenziell zu. Eine Ausnahme stellte jedoch der Melaminharz-Schaum dar, welcher eine abnehmende Empfindlichkeit des W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsanstiegs gegen{\"u}ber weiteren Mengen an desublimiertem CO2 aufwies. Daf{\"u}r verantwortlich sind das abstoßende Verhalten von CO2 gegen{\"u}ber Melaminharz und die Festk{\"o}rperstruktur des Schaums.},
  subject      = {W{\"a}rmeisolierstoff},
  language  = {de}
}