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Ausgasung von Kernmaterialien – Untersuchung des Ausgasungsverhaltens von VIP-Kernmaterialien und Wärmeeinfluss
Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Überlegung, das Einsatzgebiet von Vakuumisolationspaneelen (VIP) zu erweitern und diese in Systemen mit höheren Temperaturen (z.B. thermische Flachkollektoren mit Stagnationstemperaturen von bis zu T_stag=230°C) einzusetzen. Ausgasungen des Kernmaterials können den Restgasdruck im Inneren vergrößern und werden durch steigende Temperaturen beschleunigt. Ein höherer Restgasdruck und damit das Vorhandensein von Gasteilchen führen zu einer Steigerung der Gaswärmeleitfähigkeit und damit einer Verringerung der Dämmwirkung des VIP, in denen die Gaswärmeleitfähigkeit durch Evakuieren des Kerns normalerweise nahezu null ist.
In dieser Arbeit wurden verschiedene Faserkernmaterialien bezüglich ihres Ausgasungsverhaltens bei Erwärmung untersucht und die dafür nötige Messapparatur konzipiert und aufgebaut. Zur quantitativen Erfassung der Ausgasungen wurden die Proben im Vakuum während einer 24h-Heizperiode (Heiztemperatur T_Heiz=230°C in Anlehnung an die maximalen Stagnationstemperaturen in Flachkollektoren; mittlere Probentemperatur T_P,Ø=160°C) gewogen und somit die Ausgasungsmassen direkt erfasst. Um die qualitative Zusammensetzung der abgegeben Stoffe zu identifizieren, wurden die ausgegasten Stoffe zeitgleich mit einem Massenspektrometer analysiert. Mit Hilfe der Gaszusammensetzung ist eine Zerlegung des totalen Masseverlustes in gasartspezffische Masseverluste und mit ihnen die Umrechnung in Partialdruckänderungen möglich (Modell der idealen Gasgleichung). Diese Partialdrücke verursachen Änderungen der Gaswärmeleitfähigkeit je Gaskomponente, die in eine gesamte Änderung der Gaswärmeleitfähigkeit für das Gasgemisch umgerechnet werden können.
Die Ergebnisse zeigen, dass die unbehandelten Materialien Ausgasungsraten zwischen r=1 und r=9 mg je g Probenmasse aufzeigen, wobei Materialien mit Bindemitteln die höchsten Masseverluste vorweisen. Die Gaswärmeleitfähigkeit des Gasgemisches ist jedoch nach Berechnungen bereits ab ca. r=0,6 mg/g Ausgasungsmasse voll ausgebildet. Alle Ausgasungen sind vor allem durch einen hohen Wasseranteil bis zu 90% bei Binder-freien Materialien gekennzeichnet. Der verbleibende Teil setzt sich aus H2 (ca. 2%), CO (ca. 4%) und CO2 (ca. 4%) zusammen. Enthält das Material Bindemittel, so sinkt der Wasseranteil der Ausgasungen auf ca. 40-50%. Hingegen steigt der Restanteil, der auf sich zersetzende Bindemittel beruht. Schlussfolgernd ist festzuhalten, dass die unbehandelten Materialien (vorzugsweise ohne Binder) definitiv eine Temperaturvorbehandlung mindestens zur Eliminierung von Wasser benötigen, um sie für „Hochtemperatur-VIPs" einsatzfähig zu machen. Das Identifizieren einer solchen Temperaturvorbehandlung könnte als weiterführende Arbeit mit der vorliegenden Versuchsapparatur durchgeführt werden.