Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, BayreuthAm Fraunhofer-Zentrum HTL werden Wärmebehandlungsprozesse für Schüttgüter untersucht und optimiert. Einerseits werden Messverfahren aufgebaut, mit denen Materialeigenschaften von Schüttgütern temperaturabhängig bestimmt werden können. Andererseits werden Verfahren zur Optimierung der Prozessparameter und zum Hochskalieren in Produktionsöfen entwickelt.
Forschungsschwerpunkte:
Wärmeprozesse
Schüttgutprozesse
Hochtemperatur-Messverfahren für Schüttgüter
Probentiegel mit Thermoelementen
Mit Pulver gefüllter Probentiegel
Je nach Korngröße werden unterschiedlich große Schüttgutmengen benötigt, um repräsentative Materialdaten zu erhalten. Feine Pulver können im Milligramm-Maßstab mit den am HTL vorhandenen thermoanalytischen Verfahren (Differenzthermoanalyse gekoppelt mit Thermogravimetrie und Massenspektrometrie sowie Differenzwärmestromkalorimetrie und Laser-Flashverfahren) analysiert werden. Bei gröberen Körnungen mit Korngrößen bis 20 mm (Mittelkies) werden Tiegel mit Pulvermengen bis in den Kilogramm-Maßstab eingesetzt. Entsprechend unterschiedlich ist der Messbereich der eingesetzten Gewichtssensoren. Emissionsgasanalysen erfolgen bei größeren Probenmengen mit elektrochemischen Sensoren. Thermische Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Emissivität werden bei gröberen Körnungen durch Finite-Elemente (FE)-Simulationen des Wärmetransports in rotationssymmetrischen Tiegeln und eine inverse Bestimmung anhand des Vergleichs mit gemessenen Temperaturverteilungen erhalten (Publikation: In situ measurement). Dimensionsänderungen werden in Pulverhaufwerken durch Schattenwurfverfahren mit den Thermooptischen Messverfahren des HTL gemessen. Die Druckfestigkeit wird temperaturabhängig durch einachsige Druckversuche in entsprechenden Tiegeln erfasst. Für die Charakterisierung von Schüttgütern stehen Messöfen mit unterschiedlichen Atmosphären zur Verfügung: von reiner Wasserstoffatmosphäre über unterschiedliche Brenngasatmosphären bis zu Inertatmosphären und Vakuum. Die Trocknung wird im Labor in Atmosphären mit definierter Feuchte und Strömungsgeschwindigkeit untersucht. Für die Messung des Schüttgutverhaltens in industriellen Trocknungsaggregaten steht eine spezielle Trocknungswaage zur Verfügung.
Prozessoptimierung
Eine Optimierung der Prozessparameter von Wärmebehandlungen an Schüttgütern ist für Trocknungs-, Pyrolyse, Redox- und Sinterprozesse möglich. Die Materialveränderungen werden dabei mit In-situ-Messverfahren erfasst und in formalkinetischen Modellen parametrisiert. Auch für das Wärmemanagement werden die Hochtemperaturmessdaten am jeweiligen Schüttgut herangezogen. Die Gaspermeabilität wird auf Basis von Raumtemperaturdaten errechnet. Aufbauend auf diesen Daten erfolgt die Prozessoptimierung anhand von Finite-Elemente(FE)-Simulationen der Wärmebehandlung. FE-Simulationen werden auch zum Scale-Up der Prozesse eingesetzt. Auf Wunsch werden kundenspezifische Apps erstellt, mit denen Anwender die Prozessoptimierung selbst gestalten können. Für die Konzeption neuartiger Ofenanlagen können am HTL digitale Ofenzwillinge erstellt werden, die eine Bewertung ermöglichen, ohne dass alle Anlagenvarianten in der Realität erprobt werden müssen.
Leistungsangebot:
- Hochtemperatur-Messung der Wärmeleitfähigkeit und Emissivität von Schüttgütern in kontrollierten Atmosphären
- In-situ-Messung anderer Schüttguteigenschaften, wie z.B. Dimensionsänderungen, Festigkeit, temperaturabhängige Massenabnahme (Thermogravimetrie)
- In-situ-Messung von Gasphasenreaktionen an Schüttgütern (Gewichtsänderungen, Emissionsgasanalyse, Kalorimetrie)
- Optimierung von Trocknungs-, Pyrolyse-, Redox- und Sinterprozessen
- Erstellung kundenspezifischer Apps zur Prozessoptimierung von Schüttgütern
- Entwicklung neuartiger Wärmeprozesse für Schüttgüter mittels digitaler Ofenzwillinge