Die Belastung von Klebschichten im nicht ausgehärteten Zustand ist ein Problem vieler klebtechnischer Anwendungen. Normalbeanspruchungen führen zu einer Einschnürung der Klebfläche und beeinträchtigen deren Festigkeit. Ein Beispiel hierfür ist der Wärmeaushärteprozess von Klebschichten in hybridgefügten Mischbaustrukturen. Weisen die gefügten Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, kann dies bei der Warmaushärtung zu einer Aufweitung des Klebspalts und damit zu einer Normalbeanspruchung der flüssigen Klebschicht führen. Dadurch kann die ursprüngliche Klebfläche deutlich reduziert werden und weist eine mäanderförmige Struktur auf. Im weiteren Fertigungsprozess wird diese Struktur ausgehärtet, was aufgrund der reduzierten Klebfläche und der auftretenden Kerbwirkung zu einem erhöhten Spannungsaufbau in der ausgehärteten Verbindung führen kann. Ein wichtiger, aber noch weitgehend unberücksichtigter Einfluss auf die Klebflächenreduktion ist dabei der Wärmeeintrag in die Klebschicht und die damit einhergehende Änderung von Viskosität und Aushärtegrad. Das Ziel des Projekts besteht darin, den Einfluss verschiedener Temperaturprofile und Aushärtegrade auf das als viscous fingering bekannte Problem experimentell zu charakterisieren und numerisch zu beschreiben. Dabei liegt der Fokus auf dem „Kleben stahlintensiver Strukturen“. Hierfür werden fluiddynamische Simulationen, unter Berücksichtigung viskoelastischen Klebstoffverhaltens, durchgeführt, um die Klebflächenreduktion vorherzusagen. Auf Basis der Ergebnisse wird ein Metamodell erweitert, das die effektive Klebfläche simulationsfrei vorhersagt. Ingenieurbüros und Anwender punktförmiger Fügetechnik - insbesondere KMU - erhalten damit ein Werkzeug zur optimalen Auslegung gefügter Strukturen unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses. Weiterhin wird das Metamodell in FE-Simulationssoftware integriert um den Einfluss des viscous fingering auf die mechanischen Eigenschaften bewerten zu können.

Beginn: 05/2024

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz/AiF-IGF

Förderkennzeichen: 01IF23212N

Im Rahmen des Projekts wird erstmalig ein ganzheitlicher Lösungsansatz für eine modulare und stufenweise energetische Sanierung von MFH und Quartieren verfolgt. Dieser beinhaltet einen einfach zu bedienenden, herstellerübergreifendem digitalen Sanierungsassistenten für die konkrete Planung und Inbetriebnahme, eine standardisierte, effiziente Integration von Wärmepumpen mit innovativer PVT- und PCM-Technologie sowie ein selbstlernendes Energiemanagement mit integrierter Betriebsüberwachung. Die Hauptinnovationen des dargelegten Lösungsansatzes liegen in den folgenden Punkten: - Digitale Unterstützung während Planung, Umsetzung und Inbetriebnahme durch innovative, datenbasierende Methoden - Integration von PVT-Wärmepumpe-PCM-Speicher-Heizsystemen in heterogenen Gebäudebestand - Umsetzung und Demonstration eines selbstlernenden, prädiktiven Energiemanagers als Vernetzung von lokalen Gebäudeenergiemanagern und einem zentralen Quartierenergiemanagern - Entwicklung, Modellierung und Einsatz von PCM-Speichern ermöglicht zudem den zeitflexiblen, effizienten Betrieb des Heizsystems in Hinblick auf Kosten- und Treibhausgasemissionsreduzierung Die Validierung und Demonstration beinhaltet die Konzeptionierung, Umsetzung sowie Monitoring von Sanierungsmaßnahmen für 20 MFH und erfolgt zur praxisnahen Entwicklung und Erprobung des digitalen Sanierungsassistenten und der anlagentechnischen Lösungsbausteine zur CO2-minimierten Wärme- und Stromversorgung iterativ. Das zwei-Ebenen Energiemanagement wird in einem Mehrfamilienhaus praktisch untersucht und in einem Quartier virtuell mittels Hardware-in-the-loop Simulation erprobt.

Beginn: 01/2024

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderkennzeichen: 03EN6024A

Die Dekarbonisierung von industrieller Prozesswärme ist eine Herausforderung der Energiewende. Im überwiegend fossil beheizten Temperaturbereich bis 200 °C, welcher etwa 40 % des Prozesswärmebedarfs ausmacht, liegt in der Abwärmenutzung durch Wärmerückgewinnung und Wärmepumpen ein kaum erschlossenes Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Fehlendes Know-how hinsichtlich sinnvoller Anwendungen und optimaler Integrationspunkte bei komplexen Prozessen sowie variablen Infrastrukturen, fehlende technologische Lösungen zur Wandlung und Speicherung von Wärme größer 100°C, hoher Aufwand zur Datenerhebung und Bedenken hinsichtlich der Prozesssicherheit sind wesentliche Gründe für das Fehlen von Umsetzungen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher ein digitales Entscheidungsunterstützungssystem als zentralen Anker zur Planung und Konfiguration von Wärmepumpen-Speicher-Systemen (WSS) für die resiliente und effiziente Wandlung und Speicherung von Wärme zu entwickeln. Um die hohen Transaktionskosten bei der dafür notwendigen Datenerhebung zu reduzieren, ist geplant, dazu Methoden aus dem Process Mining zu nutzen. Auf dieser Datengrundlage lassen sich Design, Integration und Auslegung von WSS unter Berücksichtigung der Kombinationsmöglichkeiten von Wärmequellen und -senken sowie von prozesstechnischen, zeitlichen, räumlichen sowie ökologischen und ökonomischen Restriktionen für die Entscheidungsunterstützung optimieren. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung und der Aufbau eines modularen und konfigurierbaren Hochtemperaturspeichersystems im Labormaßstab, um eine robuste und unterbrechungsfreie Versorgung zu gewährleisten. In einer virtuellen Produktionsumgebung werden die entwickelten Systeme unternehmensspezifisch und sensitiv erprobt. Sowohl das Speichersystem als auch die prototypischen Inkremente des Entscheidungsunterstützungssystems werden zur Dissemination, Weiterentwicklung und Multiplikation in einem Demonstrator implementiert.

Beginn: 01/2024

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderkennzeichen: 03EN2109A

Im Vergleich zu gewöhnlichen Strukturpackungen erlauben Anstaupackungen (engl. sandwich packings) einen intensivierten Stoffaustausch und eine reduzierte Flüssigkeitsfehlverteilung. Dies gelingt durch die Kombination von strukturierten Packungssegmenten unterschiedlicher geometrischer Oberflächen. Die untere Anstaulage weißt dabei eine höhere spezifische geometrische Oberfläche und somit eine geringere Kapazitätsgrenze im Vergleich zur oberen Abscheidelage auf. Anstaupackungen werden bevorzugt mit gefluteter Anstaulage betrieben. Dadurch stellt sich in dieser und der darüber entstehenden Sprudelschicht der gewünschte intensivierte Phasenkontakt ein. Im Rahmen der ersten Förderphase wurde ein Rate-based-Stofftransportmodell entwickelt, mit dem die Trennleistung von Anstaupackungen unter Berücksichtigung der komplexen Fluiddynamik über den kompletten Betriebsbereich gut berechnet werden kann. Die Analyse der Fluiddynamik erfolgte mithilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, die dafür etabliert wurde und für die nun umfangreiche Algorithmen zur Verfügung stehen. Die Gesamtmodellvalidierung erfolgte anhand von Experimenten zur CO2-Absoroption mit wässrigen MEA-Lösungen. Die umfangreichen experimentellen und numerischen Studien zeigen gleichzeitig einen Bedarf für die Erweiterung des Modells auf. Die Bestimmung der Flutpunkte soll auf Grundlage eines mechanistischen Fluiddynamikmodells verbessert werden. Zudem wird bisher die Flüssigkeitsströmung als ideale Kolbenströmung ohne Erfassung von Rückvermischungseffekten betrachtet. Insbesondere in der Anstaulage und der darüber liegenden Sprudelschicht sind jedoch eintretende Dispersionsströmungen zu erwarten. Mithilfe regimespezifischer Dispersionskoeffizienten im erweiterten Rate-based-Modell wird eine differenziertere Betrachtung des Stofftransports und der Reaktionen möglich. Zudem werden die bisher gänzlich unbekannten Stofftransportparameter in der der Sprudelschicht bestimmt und das Modell wird auf die Anwendung für Rektifikationsprozesse erweitert. 

Beginn: 02/2022

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderkennzeichen: KE 837/26-3

Kooperationspartner: TU Dresden

Die fortschreitende Miniaturisierung von Apparaten hat zur Entwicklung von Mikrokanal-Wärmeübertragern geführt, welche neben kleinen geometrischen Abmessungen gleichzeitig durch intensivierte Transportprozesse gekennzeichnet sind. Diese effizienten Wärmeübertrager im Mikromaßstab werden insbesondere bei innovativen Anwendungen mit begrenztem Bauraum eingesetzt, wie es zum Beispiel in der Mikroelektronik der Fall ist. Eine weitere Steigerung der Wärmeübertragungsleitung dieser Apparate wird durch verschiedene Optimierungsansätze angestrebt. Ein Ansatz zur Reduktion des Wärmeleitwiderstands stellt der Einsatz mikrostrukturierter Kanalwände dar. Aus der Strukturierung der Oberfläche resultiert neben den verbesserten thermischen Eigenschaften jedoch ein erhöhter Druckverlust. Folglich besteht die wesentliche Herausforderung bei der Auslegung strukturierter Mikrokanäle in der Vereinbarung dieser konträren Einflüsse. Im Rahmen des Projekts wird daher der Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Fluiddynamik und den Wärmetransport basierend auf numerischen Methoden untersucht. Dazu werden Geometrien unterschiedlicher Oberflächenrauheit mittels additiver Fertigung hergestellt und in CAD-Modelle überführt. Diese dienen als Grundlage für das Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modell, anhand dessen die Transportprozesse an der rauen Oberfläche abgebildet werden. Aus den gewonnenen Ergebnissen sollen abschließend Konzepte zur Auslegung von additiv gefertigten Mikrokanal-Wärmeübertragern mit mikrostrukturierten Oberflächen abgeleitet werden.

Beginn: 09/2021

Finanzierung: Haushaltsmittel