Untersuchungen zum Wärmetransport bei hohen Temperaturen (T > 600 °C) in keramischen Schwammstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kind
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249436491

Üblicherweise werden Schüttschichten aus Pellets oder Wabenmonolithe verwendet, um die Effizienz von verfahrenstechnischen Apparaten (z.B. Reaktoren) zu steigern. Vorteile von Schüttungen sind die hohe Quervermischung und die große spezifische Oberfläche, wohingegen Wabenmonolithe einen niedrigen Druckverlust besitzen. Nachteilig bei Schüttungen sind der hohe Druckverlust und die hohen Wärmekontaktwiderstände infolge der Punktkontakte der Pellets. Wabenmonolithe besitzen dahingegen keine Quervermischung. Ein neuer und innovativer Ansatz ist, diese Strukturen durch Schwämme (offenzellige Schäume) zu ersetzen. Schwämme sind Netzwerkstrukturen hoher Porosität. Weitere wichtige Eigenschaften sind ein vergleichsweise niedriger Druckverlust, eine hohe spezifische Oberfläche und eine hohe Quervermischung. Aufgrund der kontinuierlichen festen Phase können Hot-Spots nahezu vermieden und eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden. In Schwämmen sind demnach die Vorteile der Wabenmonolith- und Pelletstruktur miteinander vereint und gleichzeitig die Nachteile dieser beiden Strukturen reduziert.Für die Auslegung verfahrenstechnischer Apparate sind verlässliche Korrelationen zur Berechnung des zweiphasigen (= effektiven) Wärmetransports unerlässlich. In der Vergangenheit haben die Antragsteller erfolgreich Korrelationen und Modelle zur Berechnung des Wärmetransports bei moderaten Temperaturen unter Vernachlässigung der Strahlung entwickelt. Bei Hochtemperaturanwendungen muss jedoch neben der Wärmeleitung der Wärmetransport-Mechanismus der Strahlung in den Modellen mit berücksichtigt werden. In der Literatur lassen sich hierzu jedoch nur wenige Veröffentlichungen mit knappen Datenmengen finden.Daher ist Ziel dieses Projekts, durch die Untersuchung verschiedener Schwammtypen (Variation von Material, Zellgröße und Porosität) eine breite Datenbasis zu erstellen und die eigenen Modellansätze derart zu ergänzen, dass der Wärmetransport in Schwämmen bei moderaten und hohen Temperaturen verlässlich berechnet werden kann. Üblicherweise werden technische Bauteile unter Verwendung des homogenen oder heterogenen Modells modelliert. Ersteres betrachtet den Schwamm als quasikontinuierliches System mit superpositionierten Eigenschaften. Hierbei muss die Zweiphasen-Wärmeleitfähigkeit mit und ohne Strömung bekannt sein. Bei letzterem wird der Schwamm als Zweiphasen-System betrachtet. In diesem Fall sind bei der Beschreibung des Wärmetransports zwei Energiebilanzen notwendig, wobei diese über einen Term gekoppelt sind, welcher den Wärmeübergangskoeffizienten enthält. In diesem Projekt sollen beide Ansätze verfolgt werden, weshalb die Zweiphasen-Wärmeleitfähigkeit wie auch der Wärmeübergangskoeffizient für Temperaturen bis zu 1000 °C bestimmt werden sollen. Für die Modellierung des Wärmetransports durch Strahlung sollen optische Parameter (Transmission, Emission und Reflexion) mit Hilfe der Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Benjamin Dietrich