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Fortschritte bei der Wärme- und Stoffübertragung in gasbasierten mikroskaligen Prozessen

Es ist allgemein bekannt, dass die Minimierung von Wärme- und Stoffübertragungswiderständen zu einer enormen Erhöhung der damit verbundenen Transportkapazitäten führt. Es gibt jedoch immer noch erhebliche Wissenslücken bei Wärme- und Stoffübertragungsprozessen im Mikrobereich.

Industrielle Technologien
Energie

Das EU-finanzierte Projekt MIGRATE befasste sich mit den aktuellen Herausforderungen für Innovationen, denen sich die europäische Industrie im Hinblick auf Wärme- und Stoffübertragung in gasbasierten mikroskaligen Prozessen gegenübersieht. Dies umfasste die Modellierung von Wärmeübertragungsprozessen und -geräten sowie die Entwicklung und Charakterisierung von Sensoren und Messsystemen für die Wärmeübertragung in Gasströmen sowie thermisch angetriebene Mikrogasabscheider für mikroskalige Geräte zur verbesserten Wärmerückgewinnung. Die Entwicklung kompakter Mikrogasanalysatoren erfordert ein umfassendes Verständnis vom schwankenden Temperaturverhalten des Gasstroms mit nicht zu vernachlässigenden Kompressibilitätseffekten sowie der mit Adsorption/Desorption und Wärmeübertragung in Längsrichtung und Querrichtung verbundenen Auswirkungen. Integrierte Sensoren werden auch benötigt, um schnelle Rückkopplungsschleifen für die optimierte Steuerung von Prozessen bereitzustellen, was zu einem höheren Wärmewirkungsgrad und geringeren Ressourcenbedarf führt.

Neue Modellierungsansätze

Forschende entwickelten daher mehrere neue Modellierungsmethoden und genaue Beschreibungen der Wärmeübertragung von Gasmikroströmungen in miniaturisierten Geräten, einschließlich Gas-Flüssig-Kontaktierung und Phasenübergang. Sie entwickelten auch verschiedene Messmethoden und einen miniaturisierten drahtlosen Drucksensor mit vergrößerter Reichweite sowie einen miniaturisierten Temperatur- und Wärmestromsensor für Gasströme auf der Basis thermochromischer Partikel. Die Reichweite des drahtlosen Drucksensors reichte von Hochvakuum bis zu erhöhtem Druck, einem Bereich, der normalerweise nur bei Verwendung mehrerer kombinierter Sensoren gemessen werden kann. Darüber hinaus baute MIGRATE verschiedene Arten von optischen UV-Sensoren zur Quantifizierung flüchtiger organischer Verbindungen. Es wurden mehrere Sensorsysteme für flüchtige organische Verbindungen entwickelt und getestet, die auf fotoelektrischem Effekt, Fotoionisationseffekten in Flüssigkeiten und Gas-Flüssigkeits-Kontaktierungen basieren. „Dies ist wichtig für die künftige Umweltanalyse, da die EU die zulässigen Grenzwerte für die Probenahme der Luftqualität drastisch gesenkt hat“, sagt Projektkoordinator Jürgen Brandner. Darüber hinaus wurden im Rahmen des Projekts mathematische Modelle zur Beschreibung von Wärmeübertragung, Gas-Flüssig-Kontaktierung und Phasenübergang erstellt oder verbessert, die jetzt einsatzbereit sind. „Zudem wurde ein Modell mit reduzierter Ordnung zur Verbesserung der Wärmeübertragung und zur Störung von Strömungen in hocheffizienten Gaswärmetauschern entwickelt und erfolgreich angewandt. Die entsprechenden Wärmetauschergeräte wurden für Hochtemperatur-Gasturbinen gebaut und getestet, die für zukünftige Energieanwendungen nützlich sein könnten“, erklärt Brandner.

Wissenszuwachs

MIGRATE lieferte ein tieferes Verständnis der Wärmeübertragungsleistung im Mikrobereich und entwickelte sowie charakterisierte unter anderem Hochleistungs-Gas/Gas-Wärmetauschergeräte für den Einsatz in dezentralen Energieanwendungen und zur Energiegewinnung aus Abwärme. Darüber hinaus werden Forschende von Verbesserungen bei der Modellierung und neuen Simulationscodes sowie neuen Designs für mikrofluidische Systeme und Geräte profitieren. Die Anwendung der von MIGRATE entwickelten Umweltsensoren wird auch zur Überwachung von flüchtigen organischen Verbindungen beitragen und damit der Gesellschaft insgesamt zugutekommen. „Miniaturisierte Geräte werden eine Schlüsselrolle in zukünftigen Industrieanwendungen und Transportsystemen sowie bei der Neugestaltung bestehender Prozesse spielen, welche von Industrietechnik bis hin zu persönlicher Ausrüstung reichen“, betont Brandner. Schließlich wird die Kombination aus Hochschulforschung, kleinen und mittleren Unternehmen sowie weltweit führenden Interessengruppen aus der Branche einen wesentlichen Beitrag zum Wissen über Probleme bei der Gas-Wärmeübertragung im Mikrobereich und über Industrieanwendungen hocheffizienter miniaturisierter Geräte leisten. Unterstützt wurde das Forschungsvorhaben im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen.

Schlüsselbegriffe

MIGRATE, Wärmeübertragung, miniaturisiert, Stoffübertragung, flüchtige organische Verbindungen, Wärmeübertragung, Drucksensor, thermochromisch, Mikrogasanalysator

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