Nachhaltige Elektrifizierung in der Thermoprozesstechnik: Technologische Enabler für den großindustriellen Einsatz der Widerstandsbeheizung

Übersicht zum Projekt

Das Teilprojekt wird im Rahmen des Programms „Leittechnologien für die Energiewende“ durchgeführt. In Zusammenarbeit mit dem IOB der RWTH Aachen untersucht die Professur GWA die optimierte Auslegung leistungsfähiger elektrischer Widerstandsbeheizungen für konvektionsdominierte Thermoprozessanlagen. 

Aktuell verfügbare Heizer für die Erzeugung hoher Lufttemperaturen sind durch die Lebensdauer der Heizdrähte begrenzt. Durch eine verbesserte Auslegung wird eine höhere Effizienz und eine verbesserte Lebensdauer erwartet.

Arbeitsschwerpunkte

Hauptschwerpunkt der Forschung ist die Untersuchung der Strömungs- und Wärmetransportbedingungen in Heizern mit geführter Längsanströmung. Dazu werden zuerst bereits verfügbare elektrische Heizer mittels Computertomografie vermessen und in ein 3D-Modell überführt. Anhand der Daten werden typische Geometrien (Lage der Heizleiter in den Führungen) in den Heizern ermittelt. 

Ausgehend von den typischen Geometrien wird ein Wassermodell entwickelt, dass die Strömungsbedingungen abschnittsweise für verschiedene Temperaturen darstellen kann. Mittels Particle Image Velocimetry (PIV) und Laser Doppler Anemometrie (LDA) werden die Strömungsverhältnisse experimentell ermittelt und aus diesen werden die Wärmeübergangsbedingungen abgeleitet. Auf diese Weise können kritische Geometrien identifiziert werden, die zur Schädigung oder Effizienzminderung des Systems beitragen können.

Parallel zu den Untersuchungen wird ein Versuchsstand aufgebaut, an dem mittels Temperaturmessung und Untersuchung des Strömungsfeldes mit LDA der effektive Wärmeübergang im Gesamtsystem bestimmt wird. Weiterhin wird ein System im industriellen Maßstab in einem Brennerversuchsstand vermessen, um einen besseren Vergleich zu konventionellen Beheizungssystemen erreichen zu können und die Dauerbetriebsfähigkeit untersuchen zu können.

Die gesammelten Daten werden in ein numerisches Modell überführt, um durch Variation der Bedingungen eine optimierte Auslegung und Konstruktion sowie Betriebsweise ableiten zu können.

Kernaussagen/-ergebnisse

Im Rahmen des Projekts sollen primär Auslegungsvorschriften für den Bau und den Betrieb von längsangeströmten Heizern entwickelt werden. Als Grundlage dafür werden Korrelationsgleichungen für den Wärmeübergang in engen Kanälen bei sehr hohen Temperaturen entwickelt.