Wärmetechnisches Labor

Unsere Möglichkeiten

© 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.

Thermoanalytische Charakterisierung

Thermoanalytische Charakterisierung
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(1) Optisches Dilatometer, (2) High-Speed-Ofen für STA-Charakterisierungen bis zu 500 K/min, (3) Massenspektrometer gekoppelt an die Wasserdampf-, Wasserstoff-STA, (4) Raumtemperatur-Plattenapparatur (schematisch) zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, (5) Hochdruck-DSC, (6) Tieftemperatur- und Hochtemperatur-DSC

Physikalische und chemische Eigenschaften eines Materials, einer Substanz, eines Substanzgemisches und/oder von Reaktionsgemischen werden als Funktion der Temperatur, Zeit oder des Druckes mit den Methoden der thermischen Analyse gemessen. Unter definierter Atmosphäre wird die Probe kontrolliert einem Temperatur-Zeit- Programm unterworfen.

Analysemethoden, die am Fraunhofer IFAM Dresden zu Forschungs- und Entwicklungszwecken zur Verfügung stehen:

Schubstangen-Dilatometrie (DIL) (akkreditiertes Verfahren)

  • Thermisches Ausdehnungsverhalten (Temperatur-Dichte-Kurve, Schwindung, Schwellung)
  • Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Optische Dilatometrie (DIL)

  • Thermisches Ausdehnungsverhalten (Temperatur-Dichte-Kurve, Schwindung, Schwellung)
  • Thermischer Ausdehnungskoeffizient
  • Erhitzungsmikroskopie, Kontaktwinkelmessung

Wärme- und Temperaturleitfähigkeitsbestimmung (WLF)

  • Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Pulver, porösen Körpern und Materialkombinationen
  • verfügbare Verfahren: stationäres Plattenverfahren, Hot Disk-Verfahren, Flash-Verfahren
  • Spezifische Wärmekapazität

Dreischichtkalorimeter

  • Spezifische Wärmekapazität
  • Phasenwechselenthalpie

Dynamische – Differenz – Kalorimetrie (DSC)

  • Spezifische Wärmekapazität
  • Schmelz-, Erstarrungs- und Kristallisationsvorgänge, Rekristallisation
  • Lösungs- und Ausscheidungsvorgänge
  • Phasenbildung
  • Bestimmung von Reaktionsenthalpien
  • Selbstentzündungsverhalten

Thermogravimetrie (TG)

  • (De-) Hydrierungen, (De-) Hydratationen
  • Trocknen, Verdunsten, Verdampfen, Sublimieren
  • Entbindern, Entwachsen, Entwässern, Ausgasen
  • Zersetzungen (Pyrolysen, Verbrennungen)
  • Oxidation, Reduktion, Korrosion und Stabilität unter definierten Bedingungen
  • Zyklische Oxidationsprüfung

Simultane Thermoanalyse (STA) als Kombination von Thermogravimetrie (TG) und Dynamischer – Differenz – Kalorimetrie (DSC)

  • Realisierbare Heizrate bis zu 500 K/min im Temperaturbereich zwischen 25 °C und 1200 °C

Massenspektrometrie (MS)

  • Bestimmung von Fragmenten im Massezahlenbereich von 1 bis 250
  • Koppelbar mit DIL, DSC, TG, STA

 

Möglichkeiten der Thermoanalyse am Fraunhofer IFAM Dresden

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 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.