Thermophysik

Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich Thermophysik und -sensorik des ZAE Bayern führen zu einem vertieften physikalischem Verständnis und der zuverlässigen Charakterisierung thermophysikalischer Stoffgrößen von neuen Materialien und Werkstoffen, die für die Energietechnik relevant sind.

Die Schwerpunkte des Themenbereichs liegen in der Beschreibung und Analyse komplexer Wärmetransportvorgänge in heterogenen Stoffsystemen (Thermische Analyse), in der Modellierung und Charakterisierung des Wärmetransports durch Wärmestrahlung (Angewandte IR-Metrologie), sowie in der qualitativen und quantitativen Erfassung von thermischen Prozessen und deren bildlicher Darstellung (Thermosensorik). Wesentlicher Bestandteil aller Bereiche ist die Entwicklung von innovativen Messverfahren, wie z.B. bildgebende Analyseverfahren, die auch für neue Materialtypen und -systeme bei den jeweiligen Anwendungsbedingungen (z.B. Temperatur und Druck) eine zuverlässige Charakterisierung erlauben.

Durch die Kompetenz der in diesem Themenfeld tätigen Arbeitgsruppen und die enge Verzahnung mit den anderen Themenfeldern des ZAE Bayern steht eine Expertise zur Verfügung, die besondere Synergien sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch der angewandten Energieforschung ermöglicht.

Forschungsgebiete

Thermische Analyse

Die Thermische Analyse beschäftigt sich mit der experimentellen und theoretischen Charakterisierung thermophysikalischer Eigenschaften (insbesondere Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, Enthalpie, spezifische Wärme und Wärmedehnung) und der Weiterentwicklung entsprechender Messmethodik. Ziel ist es dabei, ein vertieftes Verständnis von Wärmetransportvorgängen in komplexen Materialien und Systemen zu erreichen. Darüber hinaus spielt die Weiterentwicklung vorhandener Messtechniken sowie die Entwicklung neuer Messmethoden eine wichtige Rolle, um den durch moderne Materialien gestellten neuen und immer extremeren Anforderungen gerecht zu werden.

Die Kombination aus hoch entwickelten Analysemethoden und vorhandenem theoretischen Know-how ermöglicht weiterhin die gezielte Identifikation des Optimierungspotentials des Untersuchungsgegenstandes und dessen Anpassung auf praxisgerechte Anwendungen.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Stephan Vidi
+49 931 70564-350
Stephan.Vidi@zae-bayern.de

Dipl.-Phys. Frank Hemberger
+49 931 70564-326
Frank.Hemberger@zae-bayern.de

Angewandte IR-Metrologie

Die angewandte IR-Metrologie erlaubt die Bestimmung der Wärmeabstrahlung von Oberflächen sowie die Ermittlung des Strahlungs-Wärmetransports durch Materialien. Die Messtechnik ermöglicht zusammen mit dem in dieser Arbeitsgruppe vorhandenen theoretischen Know-How die thermische Optimierung von Materialien und Komponenten für verschiedenste Einsatzgebiete. Die relevanten infrarot-optischen Kenngrößen können dabei in einem weiten Wellenlängen- und Temperaturbereich sowie unter verschiedenen Atmosphären ermittelt werden.

Zudem stehen im Labor Infrarot-Metrologie verschiedene selbst entwickelte Computerprogramme zur rechnerischen Simulation von gekoppelten Strahlungs- und Wärmetransportvorgängen zur Verfügung. Der Strahlungstransport und die Strahlungsausbreitung sowie Kopplungseffekte werden dabei mittels grundlegender physikalischer Modelle abgebildet.

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Dipl. -Ing. MariaCarla Arduini
+49 931 70564-317
MariaCarla.Arduini@zae-bayern.de

Projekte

Industrielle Prozessoptimierung
durch verbesserte metrologische Verfahren
zur Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften (Hi-TRACE)

Foto Hi-TRACE

Viele Industriezweige wie Luft- und Raumfahrt, Kraftwerkstechnik sowie Glas- und Keramikindustrie betreiben Anlagen bei Temperaturen oberhalb von 1500 ºC. Um diese Prozesse zu optimieren und die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern werden neue, temperaturbeständigere Materialien entwickelt, für welche die genaue Kenntnis der relevanten Kenngrößen unter den Einsatzbedingungen notwendig ist. Das Ziel des Projektes ist daher die Schaffung einer metrologischen Infrastruktur, um rückführbare Messdaten der thermophysikalischen Eigenschaften, wie Temperatur Tf, Kontaktwiderstand Rc, Temperaturleitfähigkeit a, Wärmekapazität Cp und Emissionsgrad ε bis zu 3000 ºC zu liefern.

Dazu gehören die Entwicklung hochgenauer Referenzanlagen, neuer Messtechniken, zuverlässiger Kalibriermethoden, validierter Unsicherheitsbudgets und rückführbarer Referenzmaterialien für den Hochtemperaturbereich zur Bestimmung thermischer und infrarot-optischer Eigenschaften sowie zur berührungslosen Erfassung der Haftungseigenschaften von Schichtsystemen. Die Projektergebnisse ermöglichen es europäischen, deutschen und bayerischen Industrieunternehmen die Energieeffizienz erheblich zu steigern, Schadstoffemissionen zu reduzieren, die Sicherheit zu erhöhen und die Zuverlässigkeit kritischer Anwendungen zu verbessern.

EU-Projekt
Förderkennzeichen: 17IND11 – Hi-TRACE
Laufzeit: 01.07.2018 – 30.06.2021

Projekt Website 

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Dipl.-Phys. Stephan Vidi
+49 931 70564-350
Stephan.Vidi@zae-bayern.de

Verbesserung der Emissionsgrad-Messungen
an IR-reflektierenden Foliendämmungen (EMIRIM)

 Emissionsgrad-Messungen an IR-reflektierenden Foliendämmungen

Dieses Projekt befasst sich mit den Anforderungen der Normungsgruppe CEN / TC 89 / WG 12 zur Verbesserung der Norm EN 16012. Bisherige Untersuchungen ergaben erhebliche Unterschiede bei verschiedenen Messverfahren für die geringen Emissionsgrade IR-reflektierender Foliendämmungen unterhalb von 0,1. Da die Eigenschaften der Foliendämmungen wesentlich vom Emissionsgrad abhängen ist dessen zuverlässige Bestimmung von großer Bedeutung für die Beurteilung der Foliendämmungen.

Das Ziel des Projektes besteht daher in der Entwicklung von Referenzproben sowie optimierter Kalibrier- und Messmethoden zur hochgenauen und rückführbaren Bestimmung des Emissionsgrades von IR-reflektierenden Foliendämmungen. Dabei sollen, in Kooperation mit dem Normungsgremium, u. a. Verfahren optimiert und validiert werden, die eine deutlich reduzierte Messunsicherheit aufweisen. Die Ergebnisse des Projektes tragen zur Erhöhung der Energieeffizienz im Gebäudebereich durch den Einsatz entsprechend charakterisierter Foliendämmungen bei, und stärken gleichzeitig die internationale Konkurrenzfähigkeit europäischer, deutscher und bayerischer Firmen.

EU-Projekt
Förderkennzeichen: 16NRM06 – EMIRIM
Laufzeit: 01.06.2017 – 31.05.2020

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Dipl.-Ing. Mariacarla Arduini
+49 931 70564-317
Mariacarla.Arduini@zae-bayern.de

Wärmedämmschichten mit optimierten Haftungseigenschaften für energieeffiziente Kraftwerksturbinen (OptiTBCs)

Foto OptiTBCs

Die Verknappung der natürlich vorkommenden Ressourcen macht es notwendig, die Effizienz der Kraftwerkssysteme zu optimieren. Das erfordert zum einen die Erhöhung der Betriebstemperatur, da der Wirkungsgrad mit der Erhöhung der Betriebstemperatur steigt. Daneben steigt die Effizienz der Kraftwerkssysteme auch durch die Verlängerung der Lebensdauer der Bauteile. So wird derzeit an weiteren Steigerungen der Betriebstemperaturen von Kraftwerken geforscht und es werden neue temperaturstabilere sowie langlebigere Materialien entwickelt. Konkret handelt es sich dabei z. B. um keramische Wärmedämmschichten, so genannte Thermal Barrier Coatings (TBCs), die vornehmlich metallische Grundkomponenten vor übermäßiger Hitzeeinwirkung schützen.

Im Rahmen dieses Projektes soll daher einerseits eine Optimierung des Herstellungsprozesses von TBCs vorgenommen werden und andererseits eine nicht-invasive, d. h. zerstörungsfreie Untersuchungsmethode entwickelt werden, mit der die TBCs sowohl während des Betriebs als auch während der Schichtherstellung geprüft werden können. Das Ziel des Vorhabens besteht daher in der Entwicklung einer instationären Methode, welche mit Hilfe berührungsloser Systeme die Ermittlung der Haftungseigenschaften von TBCs ermöglicht. Dazu werden die Zusammenhänge zwischen der Haftung bzw. Delamination von Schichten und der Temperatur- bzw. Reflexionsgradänderung untersucht und qualitativ erfasst. Durch eine Verbesserung der Schichteigenschaften können höhere Betriebstemperaturen gefahren werden, was deren Energieeffizienz erhöht. Die zerstörungsfreie Überwachung der Schichten reduziert außerdem die Anzahl der Wartungsintervalle in denen die Turbine stillsteht und die Schaufeln evtl. ausgetauscht werden müssen, wodurch auch die Ressourcen- und Kosteneffizienz erhöht wird.

BMWi-Projekt
Förderkennzeichen: 03ET7082A-D

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Forschungslabor Opto-thermische Sensorik

Foto Opthothermische Sensorik

Das ZAE Bayern und die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) bündeln ihr Know-how im Bereich der opto-thermischen Sensorik durch ein gemeinsames Forschungslabor.

Unter opto-thermischer Sensorik versteht man die Bestimmung optischer und thermischer Eigenschaften mit Wärmestrahlung. Ziel ist es dabei, die Industrie im Bereich der berührungslosen Temperaturmessung zu unterstützen und hier innovative Lösungen anzubieten. Präzise Temperaturmessungen sind notwendig für eine genaue Prozessführung in der industriellen Produktion (z. B. Additive Fertigungsverfahren wie Lasersintern) oder den zuverlässigen und effizienten Betrieb von Kraftwerken aber auch von Lichtquellen. Dabei ist die Temperaturmessung unter oftmals extremen Bedingungen, wie beispielsweise bei hohen Temperaturen bis über 2000 °C, sehr anspruchsvoll.

Das ZAE Bayern und die FHWS verfügen über langjährige Erfahrung und eine umfassende Expertise auf dem Gebiet der opto-thermischen Sensorik, die durch eine umfangreiche experimentelle Ausstattung ergänzt wird. Dies erlaubt die Bearbeitung komplexer Aufgabenstellungen im Rahmen gemeinsamer Projekte und die Durchführung von Untersuchungen im Hochtemperaturbereich. Dadurch entsteht ein besonderer Mehrwert für die angewandte Forschung, die es unter anderem ermöglicht die Industrie auf diesem Gebiet zu unterstützen und innovative Lösungen anzubieten.

Konkret wird im Rahmen eines gemeinsamen BMWi-geförderten Projektes beispielsweise die Haftung von Turbinenschutzbeschichtungen für die thermische Energiewandlung untersucht.

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

Tätigkeitsbericht 2018


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