Thermophysical Properties of a Moist Porous Material

Abid, Muhammad

This dissertation is based on the experimental and empirical determination of the thermophysical properties namely, thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity of moist porous materials, especially of Sander sandstone. In this work, Transient hot-bridge (THB) sensor, which is a new-patented thermoelectric sensor developed by Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, is used to measure the thermal properties. Finite Element Method (FEM) is used to check the working validity of THB sensor on a porous material. Physical characterization of the chosen Sander sandstone sample is done by using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) methods. Temperature dependence of thermal properties of Sander sandstone, bricks, cellular concrete and unconsolidated sand are measured in a temperature range of -20 to +40 °C. Possible variations in the thermal properties during freeze-thaw process are observed by applying a slow cooling rate. To obtain more details on the simultaneous transport of heat and matter inside sandstone, measurements are carried out by filling the porous sandstone structure one by one with six different liquids and gases. Purpose of saturating sandstone with different stagnant fluids is to analyze the effect of these fluids on the overall effective thermal properties of the sandstone. Results on significantly reduced thermal conduction due to low pressure in the pores are discussed on the basis of Knudsen-effect. Effect of relative humidity (RH) from 0 to 90 % on thermal performance of Sander sandstone is observed according to the temperature and humidity conditions in Europe. For comparison reasons, results are also determined using few other standard methods. In addition, an empirical model for the determination of effective thermal conductivity of porous materials in terms of easily measurable parameters such as porosity, thermal conductivity of the solid matrix is also proposed.

Diese Dissertation behandelt die experimentellen und empirischen Bestimmungen der thermophysikalischen Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität von feuchtebeladenen porösen Materialien. Mit einem neuartigen Sensor wurden vor allem Sander Sandstein aber auch Ziegel, Porenbeton und Sand untersucht. Die gewonnenen Ergebnisse lassen sich mit einem phänomenologischen Transportmodell mit sehr guter Genauigkeit beschreiben. Der in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt entwickelte Transient-Hot-Bridge (THB) Sensor wurdefür die experimentellen Untersuchungen eingesetzt. Zuvor ist mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) die thermische Arbeitsweise kritisch validiert worden. Zur Erkundung ihrer inneren Porenstruktur, wurde die Rasterelektronen Mikro-skopie (SEM) und Quecksilberdruck-porosimetrie (MIP) eingesetzt. Die Temperatur-abhängigkeit der genannten thermischen Eigenschaften von Sander Sandstein, Ziegel, Porenbeton und lockerem Sand sind in einem Temperaturbereich von -20 bis +40 °C gemessen worden. Zur besseren Auflösung der Frost-Tau-Zyklen, wurden sehr langsame Abkühl-und Aufheizraten gewählt. Der Sandstein nacheinander mit sechs verschiedenen Flüssigkeiten und Gasen jeweils bis zur freien Sättigung gefüllt. Darüberhinaus konnte an gasgefülltem Sandstein der Knudsen-Effekt nachgewiesen werden, die stark verminderte thermische Leitfähigkeitskomponente des verdünnten Gases in den Poren. Von besonderer Bedeutung, insbesondere für die Bauphysik, sind die Ergebnisse der Messungen mit dem Füllfluid als feuchte Luft. In der Klimakammer wurden Sandsteine bei relativen Feuchten zwischen 0 % und 90 % (RH) gemessen. Die experimentell ermittelten Daten zur Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und spezifischen Wärmekapazität wurden verglichen mit den Ergebnissen anderer Messverfahren. Es wird daher ein eigenes phänomenologisches Modell vorgeschlagen, dass den Einfluss des Füllfluids auf die Wärmeleitfähigkeit des Sandsteins mit sehr guter Genauigkeit wiedergibt.

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Abid, Muhammad: Thermophysical Properties of a Moist Porous Material. 2012.

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