Wärmetechnisches Labor

Dienstleistungen

© Fraunhofer IFAM Dresden

Blick ins Wärmetechnische Labor des Fraunhofer IFAM Dresden (Details siehe Virtueller Rundgang durch das Institut)

Das wärmetechnische Labor am Fraunhofer IFAM Dresden verfügt über eine exzellente gerätetechnische Ausstattung zur messtechnischen Bestimmung thermophysikalischer Stoff- und Transportgrößen sowie charakteristischer wärme- und strömungstechnischer Kenngrößen  unterschiedlichster Werkstoffe und Materialverbünde. In Kombination mit den über viele Jahre gesammelten Erfahrungen der Mitarbeiter des Geschäftsfeldes Energie und Thermisches Management sind wir in der Lage auch Ihre Messaufgabe zu lösen.  

Zu den untersuchten Größen zählen z. B.

• die Dichte und die spezifische Wärmekapazität,
• die Wärmeleitfähigkeit, Wärmeübergangskoeffizienten in Gas- und Flüssigkeitsströmungen sowie verdampfenden oder kondensierenden Medien sowie
• Permeabilitäten und Druckverlustbeiwerte bei der Durchströmung.

Neben Feststoffen mit isotropen Eigenschaften können auch Verbundwerkstoffe (Schicht-, Faser- oder Partikelverbünde) mit richtungsabhängigen Kenngrößen, poröse Strukturen sowie zahlreiche andere Proben – ganz speziell auch Phasenwechselmaterialien – untersucht werden.

Zur Grundausstattung des Labors zählen

• stationäre und instationäre Messverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bei variablen Temperaturen,
• Anlagen zur Erzeugung temperierter Gas- oder Flüssigkeitsströmungen,
• Versuchsanlagen zur zyklischen Be- und Entladung von Wärmespeicherelementen,
• Verdampfer-Versuchsstände sowie
• leistungsfähige Mess- und Datenerfassungssysteme für Temperaturen, Drücke, Geschwindigkeiten und andere Messgrößen.

Über die Nutzung der vorhandenen Laborausrüstung hinaus entwickeln wir gern Versuchsapparaturen zur Umsetzung spezieller kundenspezifischer Messaufgaben.

Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität

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(1) Raumtemperatur-Plattenapparat (schematisch) zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, (2) Hochtemperatur-Plattenversuch (im Umluftofen), (3) Hotdisk-Messsystem zur Messung von Wärmeleitfähigkeit und -kapazität (Bild unten: Hotdisk-Sensor auf einer metallischen Hohlkugelstruktur)

Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität eines Stoffes sind wichtige Größen insbesondere für das thermische Management. Deren möglichst genaue Messung erfordert hochwertige Messtechnik und langjährige Erfahrung bei der Durchführung und Auswertung der Messungen.

Am Fraunhofer IFAM Dresden stehen u.a. zwei Plattenapparaturen zur Messung der Wärmeleitfähigkeit metallischer und nichtmetallischer Materialien (auch poröse oder Verbundwerkstoffe) zur Verfügung. Es wird ein stationärer Wärmestrom durch die Proben erzeugt, aus dem sich die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit bekannten Proben (Referenzmethode) oder durch Auswertung einer Energiebilanz (Absolutmethode) bestimmen lässt. Dabei können wahlweise Temperaturen von Raumtemperatur bis 450 °C eingestellt werden, es lassen sich ein Grobvakuum oder ausgewählte Gasatmosphären erzeugen bzw. definierte Proben-Anpressdrücke realisieren, wobei nicht alle Optionen untereinander kombinierbar sind.

Nicht nur für Feststoffe eignet sich das instationäre Hotdisk-Verfahren, bei dem flache Sensoren zwischen zwei festen Proben oder auch in einer Flüssigkeit oder einer Partikelschüttung positioniert werden. Aus der Relation zwischen Heizleistung und zeitlichem Temperaturverlauf des Sensors wird die Temperatur- bzw. Wärmeleitfähigkeit der Sensorumgebung (= Probe) berechnet. Das System wird vorzugsweise bei Raumtemperatur eingesetzt und verfügt zusätzlich über eine kleinvolumige Wärmekapazitäts-Messzelle.

Über weitere Messverfahren für Wärmeleitfähigkeit und -kapazität verfügt am Fraunhofer IFAM Dresden auch das Labor Thermoanalyse.

Wärme- und strömungstechnische Charakterisierung

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(1) Lüfterstrecke mit Acryl-Strömungskanal zur Druckverlust- und Wärmeübergangsmessung an Sandwichproben, (2) Versuchsanlage zur Konditionierung von Wasserströmungen, (3) Zylindrischer Strömungskanal (oben) mit Luft-Massendurchflussreglern (Mitte) und präparierter Metallschaumprobe (unten)

Für viele Anwendungen im Bereich der Wärmeübertragung, der Wärmespeicherung und des Wärmemanagements ist die Kenntnis der wärme- und strömungstechnischen Eigenschaften von (Verbund-) Werkstoffen von großer Bedeutung. Dazu zählen im Wesentlichen

• die Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten bei erzwungener Konvektion bei der Durchströmung zellularer Metallstrukturen (Metallschaum-, Metallfaser-, Metalldrahtstrukturen) oder bei der Über-/Umströmung von Bauteilen mit funktionalisierten Oberflächen (z. B. Projekt HeatCNT),
• die Messung von Wärmeübergangskoeffizienten bei freier Konvektion an funktionalisierten Oberflächen (z. B. strukturierte Verdampferoberflächen),
• die Messung von Permeabilitäten oder Druckverlustbeiwerten in bzw.an durch- oder überströmten Strukturen.

Dazu verfügt das wärmetechnische Labor über eine optimale Ausstattung zur Erzeugung definierter Strömungszustände in Kanälen oder an freien Oberflächen in Form von

• Luftströmungen mit vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit (Lüfter bzw. Massendurchflussregler) und Temperatur (Elektro-Lufterhitzer bis max. 20 kW Heizleistung),
• Wasserströmungen bis zu 5 Liter/min (Coriolis-Durchflussregler) mit Temperaturen bis 95 °C (elektrische Durchlauferhitzer bis max. 20 kW Heizleistung) und
• Thermoölströmungen (regelbare Pumpe) bis max. 350 °C in einem geschlossenen Kreislauf.

Zur Charakterisierung der Strömungszustände steht des Weiteren moderne Durchfluss-, Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturmesstechnik zur Verfügung. Die gesuchten Koeffizienten werden entweder aus direkten Messgrößen bestimmt oder unter Zuhilfenahme geeigneter Energiebilanzen ermittelt.

Charakterisierung thermoelektrischer Module

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(1) Versuchsanlage zur Untersuchung des dynamischen Aufwärm- und Abkühlverhaltens thermoelektrischer Module, (2) Strömungskanalsystem zur Untersuchung des stationären Betriebsverhaltens thermoelektrischer Module

Thermoelektrische Module erlauben die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ohne bewegte Teile und sind daher eine ideale Technologie zur z. B. zur Nutzung von Abwärme. Die am Fraunhofer IFAM Dresden oder auch bei externen Partnern entwickelten Thermoelektrikmodule können im wärmetechnischen Labor in zweifacher Hinsicht charakterisiert werden:

• Das dynamische Verhalten der Module gibt Auskunft über deren mechanische Eigenschaften bei thermischer Wechselbeanspruchung, die z. B. das Aufwärmen und Abkühlen der Module beim An- und Abfahren eines thermoelektrischen Generators verursacht. Dabei werden in den Modulen durch elektrische Beheizung bzw. Luftkühlung in einer speziell entwickelten Testanlage [(1) im Bild] zyklisch Temperaturgradienten erzeugt, die den praktischen Einsatzbedingungen entsprechen. Im Anschluss erfolgt die optische bzw. mechanische Prüfung der Module.

• Das stationäre Verhalten der Module gibt Aufschluss darüber, welche elektrische Leistung bei Ankopplung an die Strömung eines Heizmediums (Heißluft bis 600 °C und höher) und eines Kühlmediums (Kaltluft oder Kühlwasser bis 90 °C) erzeugbar ist. Aus diesen Messungen lässt sich in Kombination mit einer Wärmeleitfähigkeitsmessung der thermische Wirkungsgrad der Thermoelektrikmodule berechnen.