- Titel
- Experimentelle Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit in magnetischen Flüssigkeiten
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1036228
- Übersetzter Titel (EN)
- Experimental Investigation of Thermal Conductivity in Magnetic Fluids
- Datum der Einreichung
- 22.07.2025
- Datum der Verteidigung
- 01.12.2025
- Abstract (DE)
- Diese Arbeit untersucht experimentell die effektive Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden am Beispiel magnetischer Flüssigkeiten (Ferrofluide). Ziel ist es, den Einfluss von Partikel-Partikel- sowie Partikel-Flüssigkeits-Wechselwirkung auf den Wärmetransport zu analysieren. Während die Partikel-Partikel-Wechselwirkung primär durch ein äußeres Magnetfeld gezielt variiert wird, beeinflussen Änderungen von Suspensionseigenschaften wie Partikelgröße, Volumenkonzentration, Viskosität der Trägerflüssigkeit und Beschichtungsstärke sowohl die Partikel-Partikel- als auch die Partikel-Flüssigkeits-Wechselwirkung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine signifikante, feldinduzierte Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit: Parallel zum Magnetfeld steigt die Wärmeleitfähigkeit, während sie senkrecht dazu abnimmt. Das Ausmaß dieser Anisotropie hängt stark von den für die Ferrofluidproben gewählten Stoffparametern ab. Insbesondere fördern hohe Volumenkonzentrationen, große Partikel, geringe Beschichtungsstärken und niedrige Viskositäten die Ausprägung der Wärmeleitfähigkeitsänderung. Insbesondere die letztgenannte Suspensionseigenschaft wird in erster Näherung bei der Beschreibung von Wechselwirkungen in erster Näherung vernachlässigt. Diese Arbeit verdeutlicht anhand von Messergebnissen ihre gleichwertige Bedeutung für die untersuchten Effekte. Zur Beschreibung der beobachteten Effekte wird ein kombinierter Wechselwirkungs-Diffusionsparameter eingeführt, der eine gute Korrelation mit der relativen Änderung der Wärmeleitfähigkeit zeigt. Auf dieser Grundlage wird ein empirisches Modell entwickelt, das unter Berücksichtigung der Magnetfeldstärke eine Vorhersage der Wärmeleitfähigkeitsänderung ermöglicht. Die Ergebnisse verdeutlichen die zentrale Rolle gerichteter Wechselwirkungen für den Wärmetransport in Suspensionen und liefern einen Beitrag zum besseren Verständnis sowie zur gezielten Optimierung funktionaler Fluide für technische Anwendungen.
- Abstract (EN)
- This work experimentally investigates the effective thermal conductivity of nanofluids using magnetic fluids (ferrofluids) as a model system. The objective is to analyze the influence of particle–particle and particle–fluid interactions on heat transport. While particle–particle interactions are primarily varied in a controlled manner by an external magnetic field, changes in suspension properties such as particle size, volume fraction, carrier fluid viscosity, and particle coating thickness influence both particle–particle and particle–fluid interactions. The experimental results reveal a significant field-induced anisotropy of thermal conductivity: it increases parallel to the magnetic field and decreases perpendicular to it. The magnitude of this anisotropy strongly depends on the material parameters chosen for the ferrofluid samples. In particular, high volume fractions, large particles, small coating thicknesses, and low viscosities promote the extent of thermal conductivity variation. Notably, the latter suspension property is often neglected as a first approximation in the description of interactions. This work demonstrates, based on experimental results, its equally important role in the investigated effects. To describe the observed phenomena, a combined interaction–diffusion parameter is introduced, which shows a strong correlation with the relative change in thermal conductivity. Based on this parameter, an empirical model is developed that enables the prediction of thermal conductivity changes while accounting for the magnetic field strength. The results highlight the central role of directed interactions in heat transport in suspensions and contribute to a better understanding as well as the targeted optimization of functional fluids for technical applications.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Ferrofluid, Anisotropie, Wärmetransport, Wechselwirkungsparameter, Diffusion
- Freie Schlagwörter (EN)
- ferrofluid, anisotropy, heat transport, interaction paramter, dissusion
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- UR 4600
- GutachterIn
- Prof. Dr. Stefan Odenbach
- Prof. Dr. Cornelia Breitkopf
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. ID: 50 WM 0639
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. ID: 50 WM 1235
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1036228
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 19.05.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-SA 4.0- Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .......................................................................................... 9 1.1 Motivation und Hinführung zum Thema............................................. 9 1.2 Forschungsziel und Gliederung der Arbeit........................................ 12 2 Grundlagen ...................................................................................... 14 2.1 Wärmeübertragung ..................................................................... 14 2.1.1 Wärme .............................................................................. 14 2.1.2 Wärmetransport ................................................................. 15 2.2 Magnetische Flüssigkeiten ............................................................ 18 2.2.1 Einordnung magnetischer Flüssigkeiten .................................. 18 2.2.2 Grundlagen magnetischer Flüssigkeiten .................................. 21 2.2.3 Magnetische Eigenschaften ................................................... 25 2.2.4 Magnetische Wechselwirkung in Ferrofluiden ........................... 29 2.3 Zusammenfassung ...................................................................... 35 3 Wärmeleitfähigkeit in Nanofluiden und Ferrofluiden ....................... 37 3.1 Einflussgrößen und Modellbildung .................................................. 37 3.1.1 Einleitung und Ähnlichkeitsbetrachtung .................................. 37 3.1.1.1 Mengen- und Größenverhältnis ................................. 38 3.1.1.2 Agglomeration und Ausrichtung ................................ 39 3.1.1.3 Form der Partikel .................................................... 40 3.1.1.4 Wärmeleitfähigkeitsverhältnis ................................... 44 3.1.1.5 Standardisierung der graphischen Darstellung ............. 44 3.1.1.6 Zusammenfassung .................................................. 46 3.1.2 Wärmeleitfähigkeitsmodelle für Nanofluide .............................. 47 3.1.2.1 Maxwell-Approximation............................................ 47 3.1.2.2 Absolute Grenzen der Wärmeleitfähigkeitsänderung ..... 49 3.1.2.3 Bruggeman Approximation ....................................... 52 3.1.2.4 Referenzmodell für Anisotropie ................................. 53 3.1.2.5 Hamilton-Crosser .................................................... 54 3.1.2.6 Erweiterte Maxwell-Approximation ............................. 54 3.1.2.7 Zubarev-Approximation ........................................... 55 3.1.2.8 Graphische Darstellung der Approximationen .............. 55 3.1.2.9 Zusammenfassung .................................................. 65 3.1.3 Thermischer Grenzflächenwiderstand ..................................... 66 3.1.3.1 Herleitung des thermischen Grenzflächenwiderstands ... 69 3.1.3.2 Zusammenfassung .................................................. 77 3.2 Referenzexperimente ................................................................... 78 3.2.1 Wärmeleitfähigkeitsmessungen in Nanofluiden ........................ 79 3.2.1.1 Einordnung der Messergebnisse ................................ 80 3.2.1.2 Referenzapproximationen und -materialien ................. 81 3.2.1.3 Konsistenz der Messergebnisse ................................. 86 3.2.1.4 Überblick zu Einflussgrößen ...................................... 89 3.2.1.5 Temperatur ........................................................... 91 3.2.1.6 Partikelgröße ......................................................... 93 3.2.1.7 Partikelform und Aspektverhältnis ............................. 98 3.2.1.8 Beschichtung ......................................................... 99 3.2.1.9 Wärmeleitfähigkeitsverhältnis .................................. 101 3.2.1.10 Zusammenfassung ................................................. 103 3.2.2 Wärmeleitfähigkeitsmessungen in Ferrofluiden ....................... 103 3.3 Zusammenfassung ..................................................................... 112 4 Experimentelle Methodik ............................................................... 114 4.1 Wärmeleitfähigkeitsmessungen .................................................... 114 4.1.1 Messverfahren nach geometrischer Einteilung ........................ 114 4.1.2 Messverfahren nach temporaler Einteilung ............................. 117 4.2 Eingesetzte Messapparatur .......................................................... 119 4.2.1 Magnetische Auslegung ...................................................... 120 4.2.2 Thermische Auslegung ........................................................ 124 4.2.3 Messablauf ....................................................................... 129 4.2.4 Aggregation und Synthese der Messgrößen ............................ 132 4.3 Messprogramm und Charakterisierung der Flüssigkeiten ................... 137 4.3.1 Messprogramm ................................................................. 137 4.3.2 Charakterisierung der Flüssigkeiten ...................................... 138 5 Messergebnisse und Diskussion ..................................................... 142 5.1 Basismessungen an 5er-Gruppe ................................................... 142 5.2 Vermessung des Variations-Kits ................................................... 142 5.2.1 Fitfunktion ........................................................................ 146 5.2.2 Abstraktion der Ergebnisse und Theoriebildung ....................... 148 5.2.2.1 Einflussgrößen ...................................................... 149 5.2.2.2 Theoriebildung ...................................................... 150 5.2.2.3 Auffälligkeiten ....................................................... 152 5.2.3 Kalibrierung und Fehlerrechnung .......................................... 153 5.2.3.1 Wiederholgenauigkeit ............................................. 157 5.2.3.2 Messungenauigkeit ................................................ 158 5.2.3.3 Relative Angaben ................................................... 161 6 Zusammenfassung und Ausblick .................................................... 164 Literaturverzeichnis ............................................................................ 172 Anhang A1: Wärmeleitfähigkeitsapproximationen .............................. 181 Anhang A2: Wärmeleitfähigkeitsmessungen ....................................... 189