Wärmeübertrager

Bei der Auslegung industrieller Wärmeprozesse stehen die Übertragung von Wärme auf das Erwärmungsgut und die nachfolgende Abkühlung im Mittelpunkt. Meistens erfolgt die Wärmeübertragung durch freie Konvektion und Wärmestrahlung in der Ofenatmosphäre bzw. durch Wärmeleitung in den Brennhilfsmitteln und im Erwärmungsgut. Wenn die im Industrieofen übertragenen Wärmemengen nicht ausreichen, sind spezielle Apparaturen erforderlich, die den Wärmeaustausch verbessern. Diese Wärmeübertrager sorgen für einen erhöhten Wärmeaustausch zwischen fluiden Medien. Beispielsweise bewirken Rekuperatoren eine Vorwärmung der Brenngase in gasbefeuerten Öfen, indem sie im Gegenstromprinzip die Wärme der Ofenabgase nutzen. Im erweiterten Sinn zählen zu den Wärmeübertragern auch Apparaturen, die den Stofffluss der Fluide verstärken und damit für einen erhöhten Wärmeaustausch sorgen – z.B. Heißgasventilatoren. Wärmeübertrager für hohe Temperaturen und/oder korrosive Medien müssen aus Keramiken gefertigt werden. In Sauerstoff-freien Atmosphären sind auch Wärmeübertrager aus Carbonwerkstoffen oder Refraktärmetallen möglich. Die Wärmeübertrager müssen hohen thermomechanischen Spannungen standhalten. Für Wärmeübertrager, die hohen Temperaturen und korrosiven Atmosphären ausgesetzt sind, besteht Entwicklungsbedarf.

Wärmetauscher, die bei hohen Temperaturen über 1000°C eingesetzt werden, übertragen Wärme zwischen gasförmigen Medien. Sie werden häufig als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgeführt und arbeiten im Gegenstrom oder Kreuzstromprinzip. Um den Strahlungsanteil bei der Wärmeübertragung zu erhöhen, werden die Oberflächen häufig strukturiert. Eine Sonderform sind Wärmetauscher, bei denen die Wärme zwischenzeitlich im Feststoff gespeichert wird, und die abwechselnd vom kalten und heißen Gas durchströmt werden. Diese Regeneratoren werden in Gasbrennern eingesetzt und gewährleisten einen sehr effizienten Energieaustausch zwischen den Gasströmen. Die Temperaturwechselbelastung für die Regeneratorkomponenten, die mit den heißen und kalten Gasströmen in Berührung stehen, ist extrem hoch.

Am Fraunhofer-Zentrum HTL werden Konzepte für Hochtemperatur-Wärmetauscher entwickelt. Beispielsweise wurde ein Rohrbündelwärmetauscher für die schnelle Erwärmung von Spezialgasen in einem gasbefeuerten Ofen ausgelegt. Der Wärmetauscher ist modular aus Standardkomponenten aus Siliziumcarbid aufgebaut. Die Einzelkomponenten wurden am HTL mit kristallisierenden Gläsern gasdicht gefügt. Der Aufbau kann nach Bedarf erweitert werden. Blockwärmetauscher können am HTL mittels 3D-Druck von SiC-Pulvern und anschließender Infiltration mit Si-Schmelze hergestellt werden. Der 3D-Druck ist besonders für die Herstellung von Prototypen oder Kleinserien interessant. Bei Bedarf können die Wärmetauscher auch aus anderen keramischen Materialien, z.B. Aluminiumoxid, gefertigt werden. Neben monolithischen Keramiken können am HTL auch faserverstärkte Keramiken (CMC) für Wärmetauscher eingesetzt werden. Dies ist für Wärmetauscher-Komponenten interessant, die besonders hohen thermomechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Je nach Einsatztemperatur und Atmosphäre stehen am HTL dafür Oxid- und Nichtoxid-CMC zur Verfügung. Während die Nichtoxid-CMC aus SiC-Faserverstärkten SiC-Keramiken bestehen und intrinsisch dicht sind, werden bei den oxidischen CMC bei Bedarf gasdichte Beschichtungen aufgebracht.

Heißgasventilatoren sorgen für eine forcierte Gaskonvektion in Industrieöfen. Dies kann zur Homogenisierung von Temperatur- und Konzentrationsunterschieden in der Ofenatmosphäre genutzt werden, aber auch um Wärme- und Stoffströme zwischen unterschiedlichen Ofenzonen auszutauschen. Die Heißgasventilatoren werden bei hohen Temperaturen meist als Radialventilatoren ausgeführt. Sie können bei Materialtemperaturen oberhalb 1000°C nicht mehr aus metallischen Komponenten aufgebaut werden, weil die Kriechverformung der Metalle zu hoch wird. Durch die hohen Umdrehungsfrequenzen von ca. 100 Hz und Umfangsgeschwindigkeiten von einigen 100 m/s entstehen sehr hohe Fliehkräfte, die neue Materialkonzepte erforderlich machen. Besonders interessant sind auch hier wieder CMC-Werkstoffe, da die Faserverstärkung hohe Bruchdehnungen ermöglicht. Eine Herausforderung ist das Auswuchten der Heißgasventilatoren, was mit keramischen Werkstoffen und CMC deutlich schwieriger ist als bei Metallventilatoren.

Am HTL werden Heißgasventilatoren mittels Finite-Elemente (FE)-Verfahren ausgelegt. Dies betrifft zum einen die thermomechanischen Belastungen, denen das Bauteil bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit ausgesetzt ist. Daraus lassen sich die Anforderungen an den Werkstoff ableiten. Zum anderen kann in Verbindung mit einem geeigneten Ofenmodell über Simulationen ermittelt werden, welche Vorteile der Einsatz des Heißgaslüfters erwarten lässt, z.B. welche maximalen Aufheiz- und Abkühlraten damit möglich werden. Bei der Herstellung von Heißgasventilatoren aus CMC-Bauteilen kann das HTL auf eine breite Palette an Kompetenzen zugreifen, die die gesamte Herstellkette abdecken. Aufgrund der komplexen Geometrie eines Radialventilators wird dieser im Normalfall nicht als komplettes Bauteil gefertigt, sondern aus mehreren Komponenten zusammengefügt. Auch für die dazu nötigen Fügetechnologien verfügt das HTL über spezifische Kompetenzen. Beispielsweise werden Radialventilatoren aus oxidischen CMC mit Gewebe aus Mullitfasern und einer Matrix aus Aluminiumoxid aus einfachen Standardkomponenten gefertigt, die dann mit eigens entwickelten kristallisierenden Glasloten zum Heißgasventilator gefügt werden.

Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Heißgasventilatoren bzw. Wärmetauscher zu validieren, stehen am HTL eine Vielzahl von Prüf- und Messverfahren zur Verfügung. Mit diesen können alle relevanten Materialparameter, insbesondere elastische und thermophysikalische Eigenschaften, sowie Biege- und Rissfestigkeiten bis zur Einsatztemperatur bestimmt werden. In einer speziellen, neu entwickelten Anlage (TOM_chem) lassen sich auch Degradationseffekte durch Korrosion oder Abrasion realitätsnah an kleinen Proben des Werkstoffes untersuchen. Weiterhin können am HTL mit zerstörungsfreien Prüfverfahren (Computertomografie, Thermografie, Ultraschallprüfung und Terahertz-Analyse) komplette Bauteile auf Defekte oder Gefügeveränderungen unter Last untersucht werden.