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Strömungen mit chemischen Reaktionen / Verbrennungstechnik

Dr.-Ing. Vojislav Jovicic

Leiter Bereich 2: Strömungen mit chemischen Reaktionen
Aufnahmen aus dem Verbrennungslabor

Oben: nicht-thermisches (kaltes) Plasma;
Unten: Blick in den neuentwickelten Backofen mit porösen volumetrischen keramischen Brennern

Der Bereich B2 Strömungen mit chemischen Reaktionen und Verbrennungstechnik besteht am LSTM seit 1996. Die Forschung der B2-Forschungsgruppe ist stark anwendungsorientiert und umfasst experimentelle Untersuchungen von Strömungen mit chemischen Reaktionen sowie Wärmeübertragungsprozesse, unterstützt durch virtuelles Engineering und numerische Simulationen (CFD).
Den technisch wichtigsten Vertreter dieses Strömungstyps stellen Verbrennungsprozesse dar, die auch das Hauptarbeitsgebiet des Forschungsbereichs ausmachen. Verschiedene Technologien werden bis hin zur technischen Umsetzung entwickelt. Der sogenannte Volumetrische Keramische Brenner (auch bekannt als Porenbrenner) wurde am LSTM entwickelt, fortlaufend optimiert und an unterschiedlichste Anwendungen angepasst, einschließlich für die Stahl-, Glas- und Lebensmittelindustrie. Weitere Schwerpunkte liegen in der Untersuchung von nichtthermischem Plasma zur Wassersanierung und Oberflächenreinigung.

  • Entwicklung eines neuartigen Grundwassersanierungsverfahrens zur Beseitigung niedrig konzentrierter perfluorierter Tenside und ihrer Präkursoren mittels Behandlung durch Adsorption und nichtthermischem Plasma
    Delgado

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Februar 2020 - 31. Januar 2022
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

    Das Projekt zielt auf eine neuartige Wassersanierungsmethode zur Beseitigung perfluorierter Tenside (PFT) aus Grund- und Abwasser mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad als bisher erreichbar. PFT sind Organofluorverbindungen, die aufgrund ihrer Bioakkumulation und schlechten Abbaubarkeit in der Umwelt sowie wegen ihrer negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit bedenklich sind. In der Öffentlichkeit wurde man zunehmend auf PFT aufmerksam, daher bietet eine geeignete Wassersanierungsmethode einzigartige Marktchancen.
    Die Möglichkeiten zur Beseitigung von PFT aus kontaminierten Gewässern sind aufgrund ihrer extremen chemischen Stabilität begrenzt. Die Hauptbehandlungsmethode ist die Adsorption mittels Aktivkohle, was aber mit hohen Betriebskosten verbunden ist. Die vorgeschlagene Methode besteht aus einer nicht-thermischen atmosphärischen Plasmabehandlung, bei der der Hauptanteil an PFT zersetzt wird, sowie der Adsorption durch Ionenaustauscher, bei der der Restanteil an PFT adsorbiert wird. Hierbei dienen numerische und experimentelle Untersuchungen sowie Dauertests an einem Testfeld zur Verifikation und Charakterisierung des neuartigen Wassersanierungskonzepts.

  • Anwendung von atmosphärischer kalter Plasma-Technologie auf Weizenmehl mit anschließender Quantifizierung der Auswirkungen auf die Netzwerkfunktionalität von Teigen und Qualität von Backerzeugnissen

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. März 2019 - 28. Februar 2021
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

    Die Qualität von Mehl unterliegt insbesondere hinsichtlich seiner funktionellen Eigenschaften natürlichen Schwankungen. Um diese zu kompensieren bzw. um die Mehlqualität und -funktionalitätzu verbessern, ohne dabei nährwertbezogene und sensorische Charakteristika zu beeinträchtigen, wurde bereits eine Vielzahl an Mehlbehandlungsverfahren (Oxidationsmittel, oxidierende Enzyme, Autoklaven, Mikrowellen-, IR-und UV-Technik) untersucht. Die für die Nutzung dieser Verfahren z. T. erforderlichen,aufwändigen Verarbeitungs-schritte und die damit verbundenen Kosten stehen einem Einsatz der meisten dieser Behandlungsmethoden jedoch entgegen. Eine Alternative, insbesondere zur Verwendung chemischer Oxidationsmittel, könnte sich durch den Einsatz atmosphärischen kalten Plasmas bieten. Kaltes Plasma erfordert nur einen geringen Energieeinsatz(0,19 W/cm²) und ist rückstandsfrei.Voruntersuchungen mit diesem Verfahren zeigten eine Verbesserung der elastischen und viskosen Eigenschaften von Mehlen und hieraus resultierend Verbesserungen in der Netzwerkfunktionalität, der optimalen Knetzeit und der rheologischen Eigenschaften von Teigen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, aufbauend auf diesen Voruntersuchungen ein Betriebsfenster für eine Anwendung der kalten Plasma-Technologie bei Mehl zu ermitteln. Hierfür ist ein Versuchsstand vorgesehen bestehend aus einem rotierenden Zylinder mit Elektroden, der so gestaltet ist, dass die Plasmabehandlung des Mehlsüber verschiedene Parameter (Plasmaeinheit: Behandlungsdauer, Drehgeschwindigkeit, Leistung und Elektrodenabstände; Probenmaterial: Mehltype, Qualitätssorte) eingestellt werden kann. Es werden die Auswirkungen der Plasmabehandlung auf die Funktionalität von resultierenden Teigen sowie auf die Qualität der Backerzeugnisse untersucht.

  • LOHCmobil - H2 Verbrenner/ Konstruktion und Erprobung des volumetrischen keramischen Brenners

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Januar 2018 - 31. Dezember 2020
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

    Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines deutlich kompakteren und dynamischeren Wasserstoff-Freisetzungsverfahrens auf Basis eines volumetrisch-keramischen Brenners mit entsprechendem Kesselsystem zum Einsatz in stationären und mobilen Wasserstofffreisetzungsanlagen und dessen allgemeingültige effiziente Integration und Anpassung in diese Anlagen, um die Kommerzialisierung der Wasserstoffspeicherung in LOHC im Markt voran zu treiben. Das neue Verfahren soll den Eigenverbrauch an Wasserstoff für die Verbrennung bei einer 100 kW Wasserstofffreisetzungsanlage von derzeit etwa 45 kW auf insgesamt angestrebte 30 kW reduzieren. Zudem soll das neue Verfahren deutlich kompakter und dynamischer sein als derzeit auf dem Markt vorhandene Brennersysteme. Die ermöglichten, schnellen Lastwechsel sollen die Integration in mobile Anwendungen ermöglichen.

  • Systematische Untersuchungen zur Einsatzqualifizierung einer innovativen Backofentechnik mit volumetrischem keramischem Brenner (VKB) einstellbaren Wellenlängenspektrums sowie hoher Regeldynamik und Energieeffizienz

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Mai 2014 - 30. April 2017
    Mittelgeber: AIF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen

    Im Rahmen des Vorhabens soll eine Einsatzqualifikation für eine neuartige Gasbackofentechnik erarbeitet werden, bei der erstmalig in der Lebensmittelwirtschaft ein volumetrischer keramischer Brenner (VKB) verwendet werden soll. In anderen industriellen Anwendungsfeldern haben technische Systeme mit VKB eine überlegene Energienutzung sowie eine exzellente Prozessökologie bewiesen. Eine auf VKB basierende Backofentechnologie verknüpft die Vorteile einer hauptsächlich durch thermische Strahlung bewirkten Energieübertragung mit einer breiten Spreizung der Leistung. Somit verspricht sie nicht nur die Möglichkeit der Beeinflussung des Wellenlängenspektrums und dessen Strahlungsintensität, sondern auch eine ansonsten bisher unerreichte Regeldynamik, die für die Gestaltung und Implementierung verschiedener Backprogramme benötigt wird, sowie die resultierende erhöhte Energieeffizienz. Eine VKB-basierte Gasofentechnologie bietet damit insbesondere kleinen und mittelständischen Unter-nehmen (KMU) mit häufig stark variierender Produktvielfalt und Losgröße besondere Vorteile. 
    Der Ofentyp, die Ausgestaltung der Wärmezufuhr, der Feuchtigkeitsgehalt im Backraum und die Backzeit wirken sich auf die sich einstellenden Massen- und Energietransportbedingungen n entscheidender Form aus. Es gibt allerdings nur wenige Informationen über optimale Prozessbedingungen. Experimentelle Untersuchungen zeigten den positiven Einfluss thermischer Strahlung auf den Backprozess, z.B. Reduktion des Energieeinsatzes und Verbesserung der Wärmesteuerungs- bzw. des Wärmeregelungsgrads. Es liegen aber bislang keine eindeutigen Daten bezüglich des optimalen Wellenlängenbereichs für Backzwecke vor.
    Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Einsatzqualifikation für ein Gasbackofenkonzept auf der Grundlage eines volumetrischen keramischen Brenners zu erarbeiten. Diese Einsatzqualifikation erfordert eine kritische Bewertung des Betriebsfensters in Wechselwirkung zu Produkteigenschaften und Prozessparametern. Ein zusätzliches Ziel besteht darin, auszuloten, welche Prozesszustände sich im neuartigen Gasofen durch die spezifische Nutzung der innovationstragenden Merkmale, Wellenlängen-beeinflussung, Regel- und Schaltdynamik und Energieeffizienz, realisieren lassen.  Das interdisziplinär angelegte Vorhaben soll die Grundlage schaffen für einen schnellen und breiten Transfer einer innovativen Backtechnologie und ist somit sowohl für Unternehmen des Anlagenbaus als auch für Anwender der Backbranche von Relevanz. Von den Ergebnissen werden insbesondere KMU profitieren, da ihre Wettbewerbsfähigkeit durch Kosteneinsparungen von 20 bis 30 % bezogen auf die Energiekosten für Backprozesse erhöht werden kann. 

Zu den aktuell oder kürzlich in Projekten behandelten Themen zählen:

  • Brenner und Verbrennungsanlagen,
  • poröse volumetrische keramische Brenner (VKB) Technologie,
  • Wasserstoff- und Schwachgasverbrennung,
  • Heizsysteme,
  • industrielle Feuerungsanlagen,
  • Biomassevergasung,
  • Trocknungsanlagen,
  • Dampferzeugung,
  • thermische Energiegewinnung aus Rauchgasen,
  • Abgasreinigung,
  • Brennstoffzellensysteme,
  • verhalten heiße Jets,
  • nicht thermisches (kaltes) Plasma,
  • Abwasserreinigung,
  • keramische Werkstoffe,
  • numerische Strömungs- und Verbrennungssimulationen,
  • Sensorik, usw.

Experimentelle Ausstattung:

  • Fünf Laboratorien für die experimentelle Forschung inkl. drei Bunkerlabore.
  • Drei Gasanalysesysteme für O2, CH4, CO2, CO, NO, NOx, usw.
  • FID-Analysator (C3 Äquivalent)
  • Thermografie-System (50 Hz)
  • IR Color (Dualfrequenz)-Pyrometer
  • 16 Brenner-Dauerprüfstände (24/7 Betrieb)
  • Hochtemperaturofen TMAX = 1750°C,
  • Vakuum- und atmosphärische Plasmaanlagen.

Innerhalb des Forschungsbereiches werden neben den experimentellen auch numerische Untersuchungen angewandt. In Simulationen werden mittels verschiedener kommerzieller und quelloffener Simulationscodes die experimentell erhaltenen Ergebnisse nachgebildet.

2020

2019

2018

2017

2016

2015

2014

2013

2011

2010