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

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

Ermittlung thermophysikalischer Kenngrößen bei hohen Temperaturen

Foto Thermische Kenngrößen

Forschungs-Exzellenz-Initiative zur Bestimmung optischer und thermischer Material-eigenschaften innerhalb eines Verbund-Projekts des EMRP (European Metrology Research Programme) mit dem Titel: "HiTeMS - High temperature metrology for industrial applications".

Für die Charakterisierung thermophysikalischer Materialeigenschaften ist die exakte Bestimmung der Temperatur ein fundamentaler Parameter, da die meisten Größen im Bereich der Thermophysik temperaturabhängig sind. Die Parameter können demnach nur mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden, wenn eine präzise Ermittelung der Probentemperatur gewährleistet ist. Darüber hinaus ist die Temperatur eine wichtige Kenngröße in industriellen Prozessen, sowie in weiten Bereichen der Energiegewinnung. Die Bereitstellung und das Überwachen immer höherer Prozesstemperaturen in Kraftwerken, Turbinen, Motoren, usw. ist ein wichtiger Faktor für die Energieeffizienz, sowie die Prozesssicherheit. In den vergangen Jahren haben sich beispielsweise im Bereich der Gas-Turbinen die Prozesstemperaturen immens erhöht, was zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades beiträgt. Hierdurch ist es möglich, den Energieverbrauch solcher Systeme weiter zu senken und den CO2-Ausstoß entscheidend zu reduzieren. Dieser Trend wird sich auf Grund immer neuer, noch temperaturstabilerer Materialsysteme und Verbundwerkstoffe weiter fortsetzen, weshalb gerade in diesem Bereich eine möglichst exakte Bestimmung der Oberflächentemperatur, sowie der Temperaturverteilung notwendig ist, um weitere Entwicklungen voranzutreiben.

Im Labormaßstab ist es bereits möglich, die Probentemperaturen mit vernachlässigbaren Abweichungen exakt zu bestimmen. Dies kann sowohl berührungslos mittels Strahlungsthermometrie, aber auch über Messverfahren mit direktem Probenkontakt realisiert werden. Ein Übertrag dieser Verfahren auf industrielle Prozessbedingungen, speziell unter Einhaltung der Messgenauigkeiten, ist jedoch extrem schwierig und erfordert viel Know-how. Häufig kommen klassische Messverfahren bereits bei geringen Abweichungen von den normalen Randbedingungen an ihr Limit, weshalb eine exakte Temperaturbestimmung nicht mehr möglich ist.

Für eine umfassende Materialcharakterisierung bei hohen Temperaturen, sei es mittels berührender oder berührungsloser Temperaturbestimmung, ist die Kenntnis weiterer physikalischer Parameter unerlässlich. Hierzu gehören beispielsweise der Emissionsgrad der Probenoberfläche, sowie die Wärmeleitfähigkeit des untersuchten Materials. Diese Werte können am ZAE Bayern bereits mit hoher Genauigkeit und in einer großen Bandbreite bestimmt werden, wobei jedoch eine temperaturbedingte Limitierung gegeben ist. Im Rahmen des vorliegenden Projekts werden deshalb bestehende Verfahren zur Bestimmung des Emissionsgrades, sowie zur Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit zu höheren Temperaturen erweitert, in Vergleichsmessungen mit anderen Metrologie-Instituten validiert und auf spezielle industrielle Anforderungen hin angepasst.

EU-Projekt: IND01-REG02

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

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.

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Tag der Offnen Tür am 3 Oktober

Am 03. Oktober 2018
11:00 bis 15:00 Uhr
in Würzburg

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