Hot disc methode (bestimmung der wärmeleitfähigkeit und -kapazität)

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    Hot Disc Methode (Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und -kapazität)

    Thermophysikalische Stoffdaten stellen die Basis für Berechnungen und Modelle dar und sind unerlässlich, um weitergehende sicherheitstechnisch relevante Daten wie beispielsweise eine Wärmeproduktion oder aber eine spezifische Wärmemenge aus gemessenen Temperaturen zu ermitteln. Ein Verfahren zur Bestimmung einiger dieser thermophysikalischen Daten stellt die Transient Plane Source (Hot Disc) Methode nach ISO 22007-2 dar.

    Mit Hilfe einer solchen Hot-Disc Messung lassen sich aus einer Messreihe die Wärmeleitfähigkeit λ, die Temperaturleitfähigkeit a sowie die spezifische Wärmekapazität pro Volumeneinheit s erhalten. Die spezifische Wärmekapazität pro Volumeneinheit wird mittels der zuvor bestimmten Schüttdichte in die spezifische Wärmekapazität cp umgerechnet.

    Für eine Messung wird der Prüfgegenstand in eine spezielle Form mit variablen Volumen gegeben und die Masse des Probekörpers bestimmt, um mit dem jeweiligen Volumen die Schüttdichte der Probe zu berechnen. Anschließend wird der Hot Disk-Sensor waagerecht und zentral in den gefüllten Probekörper eingeführt. Der Sensor dient zum einen als Heizquelle und zum anderen als dynamischer Temperatursensor. Mit einer vorgegebenen elektrischen Heizenergie (mW) sowie einer definierten Messdauer (s) wird eine definierte Energiemenge durch den Sensor mittig in den Probekörper eingetragen und zugleich die Temperaturänderung des Prüfgegenstandes gemessen.

    Ermittelte Messdaten, wie die Wärmekapazität, können zum Beispiel für die Auswertung eines adiabaten Drahtkorbexperimentes oder aber zu Auswertung eines adiabaten Druckwärmestauexperimentes verwendet werden. Durch die Kenntnis der genauen Wärmekapazität einer Probe lassen sich auch exaktere Sicherheitskennzahlen zu bestimmen.

    Eine besondere weiterführende Anwendung bietet die Kenngröße Temperaturleitfähigkeit a, welche zusammen mit den bestimmten kinetischen Parametern (Arrhenius-Ansatz, Kinetik 0-ter Ordnung) aus einem adiabaten Druckwärmestauexperiment verwendet werden kann, um durch die Anwendung der Theorie der Wärmeexplosion nach Frank-Kamenetskii Werte für die SADT (self accelarating decomposition temperature) in Abhängigkeit verschiedener Gebindegrößen zu berechnen.

    [1]      ISO 22007-2 (2015-08-01): Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity, Part 2: Transient plane heat source (hot disc) method
    [2] Kotoyori, Takashi: Diffusion and Heat Transfer in Chemical Kinetics. 1st
    Edition. Elsevier Science, 2005
    [3] Frank-Kamenetskii, David A. ; Appleton, John P. (Hrsg.): Diffusion and
    Heat Transfer in Chemical Kinetics
    . 2nd Enlarged and Revised Edition. Plenum Press, 1969