Wissenschaft praktisch erklärt

About Wissenschaft praktisch erklärt

Ab 2021 stellt die Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH den ILK-Podcast "Wissenschaft praktisch erklärt" bereit. Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe werden neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorgestellt.

Publisher

Uwe Franzke

Category

science

Language

de

Explicit

No

First episode

4 May 2021

Latest episode

23 Nov 2022

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5 episodes in the feed.

1. 

   23 Nov 2022

   Thermische Kälteerzeugung

   Thermisch angetriebene Absorptionskälteanlagen sind ein wichtiger Baustein für die kältetechnische als auch für die wärmetechnische Versorgung, wenn man diese Systeme intelligent koppelt. Sie bieten beispielsweise die Chance, die bisher ungenutzte Abwärme sinnvoll zu nutzen. In diesem Podcast erläutert Dr. Mathias Safarik, Hauptbereichsleiter der Angewandten Energietechnik am ILK Dresden, welchen Beitrag die thermische Kälteerzeugung in der Energiewende leisten kann, wo noch Handlungsbedarf besteht und welche wissenschaftlichen Herausforderungen er sieht.: Zum Beispiel wie diese Systeme an die erneuerbaren Energien angepasst werden müssen und ab welcher Kälteleistung überhaupt eine Absorptionskälteanlage interessant ist? https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/thermische-kaelteerzeugung-absorptionskaeltetechnik (https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/thermische-kaelteerzeugung-absorptionskaeltetechnik) https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/seethermie-studie-jetzt-frei-verfuegbar (https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/seethermie-studie-jetzt-frei-verfuegbar) https://www.ilkdresden.de/leistungen/produkte-und-prototypenbau/projekt/vakuum-fluessigeis-technologie (https://www.ilkdresden.de/leistungen/produkte-und-prototypenbau/projekt/vakuum-fluessigeis-technologie)

2. 

   1 Jul 2022

   Beiträge der Wärmepumpen zur Sektorenkopplung

   Herzlich Willkommen zur vierten Folge „Wissenschaft praktisch erklärt“ Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe möchten wir neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorstellen. Heute sprechen wir über Wärmepumpen, Sektorenkopplung und Energiewende. Die Energiewende ist seit vielen Jahren in aller Munde. Die Sektorenkopplung bezeichnet die umfassende Vernetzung aller Sektoren der Energiewirtschaft und Industrie. Also den Austausch von Energie, um wirklich alle fossilen Brennstoffe wie Gas, Kohle und Benzin zu ersetzen. Den Wärmepumpen kommt dabei mit der strombasierten Wärmeerzeugung eine ganz besondere Bedeutung bei. Das ILK Dresden arbeitet seit Jahrzehnten an der Verbesserung der Wärmepumpen und deren Integration in Anwendungen. Mein Name ist Uwe Franzke. Ich bin der Geschäftsführer des ILK Dresden. Ich begrüße unseren heutigen Gast ganz herzlich – Herrn Markus Müller. Er arbeitet im Bereich Kälte- und Wärmepumpentechnik des ILK seit über 20 Jahren Seine Themengebiete im ILK u.a.: Wärmepumpen Kälteanlagen/Prüfstände Wärmeübertragung Herzlich willkommen! Herr Müller, wir werden heute über die Forschungsarbeiten zu den Wärmepumpen sprechen und wollen den Podcast unter die Überschrift stellen: „Beiträge der Wärmepumpen zur Sektorenkopplung“ Was genau sind Wärmepumpen? Obwohl der Begriff in aller Munde ist, stelle ich immer wieder fest, dass viele Leute nicht genau wissen, was eine Wärmepumpe ist, wie sie funktioniert und was die wichtigsten Randbedingungen sind. Wir Ingenieure verwenden sehr gern Analogien, wenn wir etwas erklären wollen. So will ich die Wärmepumpe mal mit einer Wasserpumpe vergleichen, die Wasser aus einem Brunnen an die Oberfläche befördert, um z.B. den Garten zu bewässern. Dazu kurz der eigentlich triviale Hinweis, dass im Brunnen auch Wasser da sein muss, dass ich hochpumpen kann. Da es den sogenannten Energieerhaltungssatz gibt – d.h. Energie kann nicht erzeugt werden oder verschwinden, sondern nur umgewandelt werden, betrachten wird die Wärme als Energieform, die von einem niedrigen Temperaturniveau, also z.B. kalte Außenluft oder Erdwärme, auf ein hohes Temperaturniveau gepumpt wird. Hierzu wird elektrische Energie benötigt. Die technische Einrichtung dafür ist eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe, die aus einem oder mehreren Verdichtern und Wärmeübertragern besteht, in denen ein sogenanntes Kältemittel zirkuliert. Je nach der Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und warmen Temperaturniveau ist die elektrische Antriebsenergie nur ein Bruchteil der gepumpten Wärme, hängt aber wie bei der Wasserpumpe auch immer von der Höhe, also dem Temperaturhub, ab. Mit einer kWh Strom kann ich also mehrere kWh Wärme für die Beheizung oder Erzeugung von warmem Wasser bereitstellen. Wichtig dabei ist zu beachten, dass ich die Wärmemenge auf dem niedrigen Niveau auch zur Verfügung habe – wie in meinem Beispiel vorhin, das Wasser. Und da kommt dann schon die Sektorkopplung ins Spiel. Wie genau geschieht die Integration der Wärmepumpen in die Sektorenkopplung? Der Begriff Sektorenkopplung meint heute meistens die Verknüpfung der Bereiche Elektroenergie, Wärme, Kälte, ggf. noch Verkehr – und dies aus Angebots- und Nachfragesicht, was also auch die Speicherung mit einbezieht. Insbesondere im Hinblick auf erneuerbare Energien, die bekanntermaßen sehr ungleichmäßig zur Verfügung stehen, ist es notwendig, intelligente Strategien zu entwickeln. Die Wärmepumpe als Schnittstelle zwischen Elektroenergie und Wärme kann hier einen großen Beitrag leisten. Zum Beispiel kann Wärme erzeugt und gespeichert werden, wenn ausreichend Strom zur Verfügung steht und dann genutzt werden, wenn gerade Flaute ist. So könnte nach und nach das Verbrennen von Öl und Gas durch erneuerbaren Strom ersetzt werden. Was war Ihre Motivation, sich mit diesem Thema zu beschäftigen? Ich bin in der klassischen Kältetechnik gestartet. Kältemaschinen und Wärmepumpen sind eigentlich die gleichen Maschinen – nur das ich bei der Kältemaschine die kalte Seite nutze, z.B. entziehe ich im Kühlschrank dem Innenraum Wärme, und bei der Wärmepumpe die warme Seite, also da, wo die Maschine Wärme abgibt. Ich sehe die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie, um eine „fossilfreie“ Wärmebereitstellung zu ermöglichen. Welche gesamtgesellschaftlichen Möglichkeiten bietet die Berücksichtigung der Wärmepumpe bei der Energiewende? Abgesehen von der Verbrennung von nachwachsenden Rohstoffen wie Biogas oder Holz ist die Wärmepumpe eine elegante und sehr effiziente Einrichtung zur Bereitstellung von Wärme. Dies betrifft den großen Sektor der Gebäudebeheizung, aber auch in der Industrie wird viel Wärme benötigt, die irgendwann komplett aus erneuerbaren Energien kommen muss. Sogenannter grüner Wasserstoff aus erneuerbarem Strom kann meiner Meinung nach nur einen kleinen Teil dieser Anwendungen versorgen. Wichtig dabei ist, dass der Strom zum Antrieb der Wärmepumpen natürlich aus regenerativen Quellen stammen muss. Und hier liegen die größten Herausforderungen, denn wenn auch noch der Verkehr elektrifiziert werden soll, dann benötigen wir ein Vielfaches des bisher erzeugten regenerativen Stroms. Je effizienter die Wärmepumpe, umso weniger Strom benötige ich aber. Sie untersuchen seit vielen Jahren die Leistungsparameter von Wärmepumpen. Gibt es da deutliche Verbesserungen? Es ist immer wieder erstaunlich, welche Verbesserungen über die letzten Jahre bei der Effizienz von Wärmepumpen erreicht wurden. Momentan erreichen sehr gute Wärmepumpen etwas über 50% des theoretisch überhaupt nur erreichbaren Effizienzwertes, des sogenannten Carnot-Gütegrades. Die größten Verluste entstehen dabei im Verdichter und in den Wärmeübertragern, welche die wichtigsten Bauteile einer Wärmepumpe darstellen. Sich immer weiter dieser theoretischen Grenze anzunähern, ist unsere Aufgabe. Aber auch die Verbesserung der Randbedingungen – also möglichst warme Wärmequellen zu nutzen und im Gegenzug die Nutztemperaturen soweit es geht zu drücken (Stichwort Fußbodenheizung als Niedertemperatursystem) ist eine Aufgabe zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpenanlagen. Welche Probleme sehen Sie bei der Anwendung im System? Die Ausbauziele der Bundesregierung sehen in den nächsten Jahren die Installation von 6 Millionen Wärmepumpen vor. Neben der Herstellung muss das auch für die Installation gut organisiert sein. Wichtig ist, dass die Installateure möglichst gut für die Einbindung in das Wärmequellen und –senkensystem geschult sind. Prinzipiell ist eine Wärmepumpe wie eine normale Heizung, aber es gibt aus meiner Sicht mehr Dinge, die ich bei der Installation falsch machen kann. Groß- bzw. Industriewärmepumpen können in dieser Hinsicht anders betrachtet werden. Da diese Projekte von speziellen Anlagenbauern errichtet werden, kommt hier dem Konzept und der Planung eine besondere Rolle zu. Hier haben wir im ILK eine besondere Kompetenz entwickelt. Bis zu welcher Leistungsgröße sind Wärmepumpen interessant? Die kleinsten Wärmepumpen sehe ich im Bereich von ca. 1 kW Leistung, etwa vergleichbar mit Klimageräten für einen Einzelraum. Großwärmepumpen etwa für die Versorgung von Fernwärmenetzen haben Leistungen von mehrere Megawatt. Es gibt also praktisch keine technische Grenze. Man muss aber immer die speziellen Randbedingungen beachten – insbesondere, ob sinnvolle Wärmequellen zur Verfügung stehen. Gibt es besondere wissenschaftliche Herausforderungen? Neben der Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten der Wärmepumpe, wie Verdichter, Wärmeübertrager oder Expansionsorgan, sehe ich vor allem die Herausforderung, für den großen Bereich der Wärmebereitstellung in der Industrie, insbesondere im höheren Temperaturbereich, z.B. bei der Dampferzeugung, effiziente und zuverlässige Wärmepumpen zur Verfügung zu stellen. Wenn die letzten Effizienz-Prozente herausgeholt werden sollen, kommen Details eine hohe Bedeutung zu. Beispielhaft seien hier die Auswahl des Kältemittels oder die spezielle Anpassung der Maschine an die Quellen- und Senkentemperaturen genannt. Die Nutzung von vielfach vorhandenen Abwärmequellen ist wichtig, aber nicht immer ganz leicht. Auch die Sicherheitsproblematik, insbesondere bei den umweltfreundlichen Kältemitteln, ist immer wieder ein Thema. Wo sehen Sie die Wärmepumpen in 20 Jahren? Ich denke, in 20 Jahren wird die Wärmepumpe die Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Wärmebereitstellung weitgehend verdrängt haben. Die aktuellen globalen Entwicklungen zeigen ja gerade recht deutlich, dass es höchste Zeit wird, hier signifikant voran zu kommen. Zusammenfassung Wärmepumpen sind ein wichtiger Baustein für die heizungstechnische Versorgung von Gebäuden und technologischen Prozessen. Die Verbindung von natürlichen Kältemitteln und Strom aus erneuerbaren Energien schafft ein Heizungssystem mit der geringsten ökologischen Belastung. Wertvolle Energieträger, wie z.B. Wasserstoff, können dadurch für andere Anwendungen im Bereich der Schwerindustrie bereitgehalten werden. Gesamtgesellschaftlich eine Win-Win-Situation! Herzlichen Dank für die Vorstellung Ihrer Forschungsarbeiten und weiterhin viel Erfolg!

3. 

   11 Jan 2022

   Nanopartikel

   Im Gespräch: Prof. Uwe Franzke | Dr.-Ing. habil. Matthias H. Buschmann Nanopartikel – Chance oder Gefahr? Nanopartikel spalten die Gesellschaft. Auf der einen Seite gibt es unzureichend erforschte gesundheitliche Risiken. Auf der anderen Seite bieten sie scheinbar ungeahnte Möglichkeiten durch die deutlich anderen physikalischen Eigenschaften. Das ILK Dresden hat an verschiedenen Themen geforscht, um sowohl das Verhalten von Nanopartikeln besser zu verstehen als auch die Möglichkeiten der Anwendung zur Effizienzsteigerung bei der Wärmeübertragung kennenzulernen. Heutiger Gast ist Herr Dr.-Ing. habil. Matthias H. Buschmann. Er hat an der TU Dresden Strömungsmechanik / Thermodynamik studiert und anschließend promoviert. Gegenstand seiner Promotion waren „turbulente Wandgrenzschichten“. Heute beschäftigt er sich am ILK Dresden mit Strömungsmechanik, Wärme- und Stoffübertragung und mit Nanofluiden. Was genau sind Nanopartikel? „Nanopartikel sind, wie ihr Name schon sagt, sehr, sehr klein. Wir bewegen uns in der Größenordnung von 1 Millionstel eines Millimeters. Das klingt erstmal sehr klein, wenn wir jedoch uns Wassermoleküle anschauen, die circa 0,3 Nanometer im Durchmesser groß sind, sind die Partikel, die wir am ILK Dresden betrachten, schon wieder relativ groß, denn sie haben 100 Nanometer. Diese Partikel können auf unterschiedlichen Wegen hergestellt werden. Vorrangig sind es Metalle oder Oxide, wie zum Beispiel Siliziumoxid oder Metalle, wie sie uns im Alltag begegnen, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder Gold.“ Was war Ihre Motivation, sich mit diesem Thema zu beschäftigen? „Wir beschäftigen uns nicht mit der Herstellung der Partikel. Wir kaufen die Nanopartikel ein. Für uns sind in erster Linie die Suspensionen bedeutsam, wo man die Nanopartikel in Wasser, Kältemittel, Wärmeübertrageröl oder anderen Trägerfluiden dispergiert. Damit prüfen wir, ob wir in ganz normalen konventionellen Wärmeübertragungssystemen den Wärmeübertrager, vorrangig ist das ja Wasser, durch solche Nanofluide - die bessere thermodynamische, thermophysikalische Stoffeigenschaften haben - ersetzen kann. Unser Ziel ist es also, die Wärmeübertragung zu verbessern, indem wir durch die Zufügung von diesen Partikeln zu dem ursprünglichen Wärmeträger dessen Eigenschaften verbessern und somit die Wärmeübertragung verbessern können.“ Welche wissenschaftlichen Herausforderungen gibt es? „Eine Herausforderung ist, die Prozesse laufen auf Skalen - Zeit und Länge – ab, die wir experimentell nicht auflösen können. Wir können nicht im Nano- oder Mikrometerbereich Wärmeübertragerprozesse experimentell auflösen. Wir müssen immer in den maschinenbaulich relevanten Zeitskalen und Abmessungen denken und dann sehen ob die Effekte, die in viel kleineren Skalen ablaufen, auch wieder in unseren Experimenten sichtbar werden.“ Welche Gefahr geht für den Mensch oder die Umwelt aus? „Ich möchte vorab sagen, dass sich unsere Nanopartikel immer in Suspensionen befinden. Das ist ein bisschen anders, als wenn sich Nanopartikel in Form von Stäuben in der Luft befinden. Da sind sie viel weniger zu kontrollieren als bei uns. Am ILK Dresden sind Nanopartikel immer in Suspensionen gebunden. Aber Sie haben Recht, natürlich bestehen diese Herausforderungen. Die Nanopartikel sind so klein, dass sie jede Barriere im menschlichen Körper überwinden können. Sie können die Blut-Hirn-Schranken überwinden und sie können quasi überall Schaden anrichten, wenn sie in den Körper gelangen. Wir haben aber, und da spreche ich wieder unsere chemischen Labore an, Technologien entwickelt, wie man technisch korrekt und sorgfältig mit den Nanofluiden umgeht, um solche Probleme zu vermeiden. Mehr noch, wir haben ein Europäisches Netzwerk (gefördert durch COST), mit welchem wir einen Businessplan für die Anwendung von Nanofluiden in den europäischen Industrien entwickeln. Hier gehört als Komponente dazu: „Wie gehe ich sicherheitstechnisch korrekt mit diesen Nanofluiden um?“ bis „Wie entsorge ich sie korrekt?“. Unter anderem gibt es Studien, dieses Jahr zum Beispiel publiziert von einer unserer portugiesischen Gruppen, die sehr genau auflisten, wo noch Regulierungsbedarfe in der EU formuliert werden müssen und was dort der Gesetzgeber noch leisten muss.“ Wo sehen Sie die Nanopartikel in 5 bis 10 Jahren? „Mit dem Businessplan, den wir in einem europäischen Projekt entwickeln, sind zwei Geschäftsfelder näher beschrieben worden. Das erste ist die ERZEUGUNG von Nanofluiden mit thermodynamischen Eigenschaften und das zweite ist ANWENDUNG und Nutzung in Unternehmen, die Wärmeübertragungssysteme entwickeln, verkaufen und warten. Ich denke, dass diese beiden Bereiche essentiell sind und dass sich in den nächsten fünf Jahren entscheiden wird, ob Unternehmen, wie zum Beispiel Start up‘s, auf diesen Zug aufspringen und kostengünstig thermodynamische Nanofluide herstellen können und damit dann auch große Anwendungen möglich werden.“ Herr Dr.-Ing. habil. Matthias H. Buschmann erreichen Sie telefonisch unter +49 (0)351- 4081 5311 oder per Email: matthias.buschmann@ilkdresden.de

4. 

   28 Jun 2021

   Aerosole

   Im Gespräch: Prof. Uwe Franzke | Frau Dipl.-Marketingwirt(BAW) Daniela Koch | Herr Dipl.-Ing. Ralf Heidenreich Herzlich Willkommen zur zweiten Folge „Wissenschaft praktisch erklärt“ Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe möchten wir neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorstellen. Heute sprechen wir über Aerosole und die Frage, wie lange diese in der Luft verbleiben. Die vergangenen Monate haben uns schmerzhaft vor Augen geführt, wie stark Aerosole mit Viren unser Leben in Räumen beeinträchtigen können. Dabei gehören Aerosole in Form der Feinstaubbelastung seit langer Zeit zum Alltag moderner Gesellschaften. Die öffentliche Diskussion darüber war nur nicht so ausgeprägt wie heute. Das ILK Dresden hat an verschiedenen Themen geforscht, um sowohl das Verhalten von Aerosolen besser zu verstehen als auch die Möglichkeiten der Reduzierung der Aerosole so effektiv wie möglich zu realisieren. Mein Name ist Uwe Franzke. Ich bin der Geschäftsführer des ILK Dresden. Gemeinsam mit Frau Daniela Koch (Diplom-Marketingwirt BAW) begrüße ich unseren heutigen Gast ganz herzlich – Herrn Dipl.-Ing. Ralf Heidenreich. Nach einer Lehre Klempner/ Installateur hat er an der TU Dresden Verfahrenstechnik/ Umweltverfahrenstechnik studiert. Er ist seit 1997 im ILK Dresden. Zunächst als Diplomand, dann als wiss. Mitarbeiter und seit 2004 Leiter des Bereiches Luftreinhaltung. Seine Themengebiete sind u.a.: · Aerosole · Partikelabscheidung · Rauchgasreinigung · Hygiene in raumlufttechnischen Anlagen Herr Heidenreich, wir werden heute über Ihre Forschungsarbeiten zu den Aerosolen sprechen und wollen den Podcast unter die Überschrift „Wie gefährlich sind Aerosole? stellen. Was genau sind Aerosole? Aerosole sind Tropfen oder Staubkörnchen, die in der Luft schweben. Das Wort ist eine Zusammensetzung von aer [Luft] und solution [Lösung], auch könnten wird sagen Luft und Sole, also Salztropfen in Luft Wie lange bleiben diese in der Luft? Ein Wassertropfen mit 5 mm Durchmesser fällt mit 2 Meter je Sekunde, ein Nanopartikel mit 100 Nanometer hat eine Sinkgeschwindigkeit von 0,003 mm/s und bleibt für Tage in der Luft. Welche Gefahr geht von Aerosolen für den Menschen aus? Das kommt ganz auf die Art des Aerosols an. Bei Seeluft, oder in Sole- Heilbädern – auch hier sind Aerosole, hat das Aerosol eine gesundheitsfördernde Wirkung. Bei Anderen Stoffen – wie z.B. Nano- Sprays wurden Vergiftungsfälle beobachtet, welche noch nicht ganz aufgeklärt werden können. Letztendlich aber auch Krankheitserreger in der Luft enthalten sein, welche durch die Atmung von Mensch zu Mensch übertragen werden können – das Erleben wir gerade durch die COVID19 – Pandemie sehr eindrücklich. Was war Ihre Motivation, sich mit diesem Thema zu beschäftigen? Ich finde schon immer das unsichtbare interessant. Auch die Messtechnik spielt da eine Rolle, aber auch die Phänomene die damit verbunden sind. Sind Aerosole vermeidbar? Auch hier ist wieder entscheidend, welche Aerosole wir meinen – das Meer kann nicht abgestellt werden, der Wind auch nicht- Er brachte uns im Winter wieder mal Sahara- Sand nach Europa. Der Mensch kann auch nur kurze Zeit ohne Atmen existieren. Für den technischen Sektor ist es etwas anderes – hier können wir z.B. auf Sprays verzichten. Wie kann man Aerosole abscheiden? Da Aerosole eine sehr unterschiedliche Größe haben können, sind auch die technischen Möglichkeiten vielfältig. Sehr feine Aerosole im Nano- Bereich können oft nur durch Filter abgeschieden werden. Andere Möglichkeiten sind z.B. Temperaturunterschiede. Wer braucht diese Erkenntnisse? Die Erkenntnisse benötigen alle Hersteller von Filtern, aber auch die Betreiber von Anlagen und Gebäuden. Wie wir nun auch wissen, sind diese Erkenntnisse auch für die Nutzer von Gebäuden und Innenräumen von Interesse um Einzuschätzen, welcher Gefährdung sie möglicherweise ausgesetzt sind. Wo liegen die Herausforderungen? Herausforderungen liegen in der Messtechnik, der Knappheit von Forschungsmitteln und der knappen Zeit, in der die Ergebnisse zur Verfügung gestellt werden müssen. Was bereitet Ihnen Probleme? Das kommt ganz darauf an. Manchmal ist des MS Windows. Gibt es besondere wissenschaftliche Herausforderungen? Eine besondere Herausforderung ist der Zusammenhang von Aerosolen, deren Konzentration und der Geruchswahrnehmung. Zusammenfassung Lüftungstechnische Komponenten und Anlagen können einen großen Beitrag für die Gesunderhaltung und unser Wohlbefinden in Räumen leisten. Mit dem richtigen Verständnis zum Aerosolverhalten lassen sich die Komponenten und Systeme besser auslegen und entwerfen. Herzlichen Dank für die Vorstellung Ihrer Forschungsarbeiten und weiterhin viel Erfolg!

5. 

   4 May 2021

   Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen

   Thema: Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen Im Gespräch: Prof. Uwe Franzke | Frau Dr. Franziska Krahl | Herr Dr. Ulrich Zerweck-Trogisch Prof. Franzke: Herzlich Willkommen zur ersten Folge „Wissenschaft praktisch erklärt“. Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe möchten wir neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorstellen. Heute sprechen wir über ein Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen. Wir alle ärgern uns, wenn Produkte schnell kaputt gehen und unsere Erwartungen an die Qualität nicht erfüllt werden. Speziell die die zeitliche Änderung von Werkzeugeigenschaften ist ein Problem, welches den Herstellern große Schwierigkeiten bereitet. Dabei lassen sich viele Erkenntnisse der Alterung im Vorfeld ermitteln, wenn man den richtigen Partner mit dem richtigen Equipment an seiner Seite hat. Mein Name ist Uwe Franzke. Ich bin der Geschäftsführer des ILK Dresden. Gemeinsam mit Herrn Dr. Ulrich Zerweck begrüße ich unseren heutigen Gast, Frau Dr. Franziska Krahl ganz herzlich. Lassen Sie mich Frau Dr. Krahl kurz vorstellen. Sie hat an der TU Dresden Chemie studiert und dort im Jahr 2008 promoviert. Seit Juni 2012 ist sie wissenschaftlich-technische Mitarbeiterin am ILK Dresden und arbeitet als Chemikerin u. a. auf den Themengebieten Arbeitsstoffanalytik, Kältemittel- und Ölanalysen, Alterungsuntersuchungen und Schadensanalysen. Herzlich Willkommen. Frau Dr. Krahl, wir werden heute über Ihr Forschungsthema „Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen“ sprechen. Ganz ehrlich, das Thema klingt etwas sperrig. Daher meine erste Frage: was genau muss man sich unter diesem Projekt vorstellen? Es geht in dem Projekt um Werkstoffe, um deren Alterung und um ein Prüfverfahren, was die Alterung abbilden oder nachbilden soll. Und der Kernpunkt ist die Art und Weise, wie die Werkstoffe gealtert werden und zwar im Gegensatz zu existierenden Verfahren altern wir die Werkstoffe in diesem Prüfverfahren auf eine dynamische Art und Weise. Prof. Franzke: Welche Werkstoffe muss man sich vorstellen? Unter Werkstoffen kann man sich wie in unserem Fall in der Kältetechnik Werkstoffe vorstellen, die Dichtungsmaterialen, Bauteil-relevante Kunststoffe oder auch Schlauchmaterialien und im Einsatz müssen diese Werkstoffe ihre Eigenschaft erfüllen, ihre Funktion erfüllen und sind dabei Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Wir haben erhöhten Druck, erhöhte Temperaturen, wir haben das Kältemittel und das Kältemaschinenöl und während des Einsatzes werden die Werkstoffe beansprucht und dabei altern sie, sollen aber ihre Eigenschaften erhalten und ihre Funktion möglichst lange erfüllen. Und wenn man nun wissen möchte, ob ein Werkstoff in einer Anlage eingesetzt werden kann, muss man diese prinzipielle Eignung nachweisen und das macht man mittels standardisierter Prüfverfahren, die die Alterung simulieren. Und das bezeichnen wir auch als Beständigkeitsprüfung und in den existierenden Verfahren werden die Werkstoffe dabei auf eine Art und Weise gealtert, die man als statisch bezeichnen kann. Dr. Zerweck: OK, statisch heißt, man beaufschlagt einfach mit einer gewissen Belastung und was wäre jetzt der Unterschied zum dynamischen Test? Frau Dr. Krahl: ich würde das kurz erklären, vor allem wie die statische Alterung abläuft üblicherweise. Man altert bzw. stresst den Werkstoff, in dem man ihm den in der Anlage eingesetzten Medien, wie Kältemittel und Kältemaschinenöl aussetzt und zwar bei erhöhter Temperatur und Druck und dafür gibt man dem Werkstoff zusammen mit dem Kältemittel und dem Kältemaschinenöl in ein Druckgefäß und lagert dieses über eine bestimmte Zeit – üblicherweise zwischen 3 und 10 Wochen – in einem Wärmeschrank bei einer definierten Temperatur aus und die Temperatur ist dabei im Vergleich zur Einsatztemperatur des Werkstoffes deutlich erhöht, womit man einen zeitraffenden Effekt erzielt und damit die Prüfzeit verkürzt. Vor der Auslagerung und nach der Auslagerung bestimmt man die Eigenschaften des Werkstoffes, Masse, Volumen, Härte, Zugeigenschaften und vergleicht die miteinander und für die max. zulässigen Änderungen gibt es Bewertungskriterien und die muss ein Werkstoff erfüllen. In der Vorgehensweise, die ich gerade beschrieben habe, liegt der Werkstoff während der gesamten Auslagerungszeit im Kältemittel-Öl-Gemisch, also statisch. Das kann man zur Veranschaulichung mit dem Einweichen eines schmutzigen Wäschestücks vergleichen. Der Schmutz im Wäschestück soll ins Wasser übergehen, wohingegen Dinge, die im Wäschestück enthalten sein sollen, wie Farbe oder Aufdrucke natürlich verbleiben sollen. Und wenn ich das Wäschestück einfach nur im Wasser einweiche, also statisch drin liegen lasse, habe ich zunächst einen sehr hohen Konzentrationsgradienten zwischen Schmutz im Wäschestück und Schmutz im Wasser. Das heißt, zu Beginn löst sich sehr viel Schmutz in dem Wasser und mit der Zeit sinkt aber diese Konzentrationsdifferenz und es stellt sich ein sogenanntes Lösungsgleichgewicht ein. Und wir alle wissen, dass durch quasi reines Einweichen eines Wäschestücks im Wasser dieses nicht vollständig sauber wird. Dr. Zerweck: Und deshalb schließt sich dann anschließend die dynamische Auswaschung, die dynamische Alterung des Werkstückes/Werkstoffes an? Frau Dr. Krahl: Genau. Wir haben das damit übertragen, also übertragen auf den Auslagerungsversuch, der Werkstoff ist das Wäschestück und das Kältemittel und das Kältemaschinenöl sind das Wasser. Und unter dem Schmutz verstehen wir die Bestandteile, die durch das Kältemittel und das Wasser aus dem Werkstoff herausgelöst werden können, also die Komponenten, die eigentlich nicht kompatibel mit dem System sind. Und das sind bei Werkstoffen üblicherweise Weichmacher, Verarbeitungsadditive oder sogar die Grundbausteine des Werkstoffes selbst. Da in den existierenden Beständigkeitsprüfungen der Werkstoff nur eingeweicht wird, wird auch sich dort ein Löslichkeitsgleichgewicht einstellen und mit der Zeit sinkt der, also der Konzentrationsgradient minimiert sich und irgendwann geht von diesen löslichen Bestandteilen nichts mehr in das Kältemittel oder Öl über, obwohl es das theoretisch noch könnte. Und dieser Zustand ist nicht auf den Betrieb einer Kälteanlage übertragbar. Denn in der Kälteanlage ändert das Kältemittel ja immer wieder seinen Zustand zwischen flüssig und gasförmig. Und wenn der Werkstoff z. B. in einer Kälteanlage immer wieder mit dem flüssigen Kältemittel in Kontakt steht, kann man sich vorstellen, dass sich dabei lösliche, nicht kompatible Bestandteile aus dem Werkstoff lösen und durch das Kältemittel mitgerissen werden. Wenn das Kältemittel dann in den gasförmigen Zustand übergeht, dann werden diese gelösten Bestandteile nicht mit in den gasförmigen Zustand übergehen üblicherweise, sondern sie separieren sich vom Kältemittel und fallen im ungünstigsten Zufall an irgend einer Stelle im Kreislauf aus und lagern sich ab. Wenn das Kältemittel anschießend wieder verflüssigt wird, enthält es diese gelösten Bestandteile nicht mehr und ich habe wieder den max. Konzentrationsgradienten, wenn das Kältemittel den Werkstoff wieder sieht. Genau dieser Effekt wird in den statischen Beständigkeitsuntersuchungen nicht abgebildet, und deswegen haben wir genau dieses Verfahren entwickelt. Dr. Zerweck: Man wäscht also immer wieder mit neuem sauberem Kältemittel aufs Neue, aufs Neue und aufs Neue aus. Frau Dr. Krahl: Genau, so macht man das. Prof. Franzke: Vielen Dank für die Erklärung. Klingt schon mal sehr spannend. Aber was war die Motivation für dieses Vorhaben? Sie wollten ganz sicher nicht verstehen, wie man Wäsche wäscht. Frau Dr. Krahl: Nein. Die größte Motivation war in der Tat die Tatsache, dass wir etwas an den existierenden Verfahren verbessern wollten mit der Abbildung des Phasenwechsels des Kältemittels im Kältekreislauf. Das war unsere ursprüngliche Intension, um dieses Löslichkeitsgleichgewicht zu vermeiden, denn es gibt Fälle, wo Werkstoffe beständig geprüft werden aber in der Praxis versagen, weil die Bedingungen dort eben doch auf das Herauslösen von Komponenten harscher sind. Eine zweite Motivation für dieses Projekt resultiert aus dem verstärkten Einsatz von Kältemitteln mit geringem Erderwärmungspotenzial, wodurch sich ein erhöhter Bedarf an der Vorhersagen der Langzeitstabilität von Werkstoffen ergeben hat in den letzten Jahren. Wir alle wissen, es gibt zahlreiche neue Kältemittel und vor allem auch zahlreiche neue Kältemittelgemische und es gibt wenige bis gar keine Verträglichkeits- bzw. Beständigkeitsdaten dafür und die individuelle Prüfung ist langwierig, zeitaufwändig und da haben wir nach einer Möglichkeit gesucht, dieses Prüfverfahren in einer beschleunigten Art und Weise zu modifizieren. Dann gibt es noch einen dritten Punkt: In den existierenden Beständigkeitsuntersuchungen wird ja der Zeitraffer durch eine erhöhte Temperatur ermöglicht, und man möchte immer am liebsten eine lange Einsatzdauer in möglichst kurzer Prüfzeit abbilden. Jetzt können wir uns aber alle vorstellen, dass man dafür die Temperatur im Vergleich zum Einsatz deutlich überhöhen müsste, was am Ende dazu führt, dass der Werkstoff schlicht durch thermische Effekte zerstört wird. Häufig bleibt also nur eine lange Prüfdauer. Und da schließt auch unser Prüfverfahren an, verkürzte Prüfzeiten zu ermöglichen. Dr. Zerweck: In Ordnung. Warum ist es nun wichtig, die Alterungseffekte von Dichtungsmaterialien in Kältekreisläufen zu verstehen und zu bewerten? Frau Dr. Krahl: Einerseits führt der Eigenschaftsverlust von Werkstoffen oder von Dichtmaterialien in Kälteanlagen zum Verlust der Dichtheit und damit zum Verlust von Kältemittel, welches einerseits in die Umwelt austritt und andererseits bricht die Leistung in der Anlage ein. Hinzu kommt noch, dass das Herauslösen von Additiven oder von Werkstoffbestandteilen aus einem Werkstoff auch dazu führt, dass sich diese auch irgendwo im Kreislauf ablagern und auch dadurch unerwünschte Effekte auftreten. Und letztendlich, wenn man diese Alterungseffekte von Werkstoffen gut versteht und auch gut geprüfte Werkstoffe einsetzt, minimiert man Serviceeinsätze und Kosten und man minimiert auch die Umweltbelastung. Prof. Franzke: Wer genau ist der Adressat für Ihre Erkenntnisse? Wer benötigt solche Informationen? Frau Dr. Krahl: Ich denke da in erster Linie an Hersteller von Werkstoffen, gerade die für neue Kältemittel oder auch für Formulierungen Werkstoffe testen und qualifizieren müssen und außerdem auch an Hersteller, Konstrukteure und Planer von Kälteanlagen. Prof. Franzke: Könnte man sich auch noch andere Anwender vorstellen außerhalb des Kältetechnikbereiches? Frau Dr. Krahl: Eindeutig ja. Im Grunde genommen kann man letztendlich mit vielen Prüfmedien Werkstoffe untersuchen oder auch Bauteile. Die Grundvoraussetzung für das Verfahren, was wir anwenden, ist, dass das Prüfmedium einen Phasenwechsel zwischen flüssig und gasförmig aufweist. Dr. Zerweck: Welche Werkstoffe kann man mit Ihrem Verfahren untersuchen und neue Erkenntnisse daraus gewinnen? Bei welchen geht das Ganze nicht? Frau Dr. Krahl: Nicht fallen mir auf Anhieb erst mal keine ein. Ich kann mir da prinzipiell sehr viele vorstellen. Ich denke an Metalle, an Verbundwerkstoffe, an Klebstoffe oder auch an Klebverbindungen. Die Grundvoraussetzung meiner Meinung nach ist, dass man an diesem Werkstoff auch eine Eigenschaft vorher und hinterher prüfen kann. Dr. Zerweck: Kunststoffe gehen genauso? Frau Dr. Krahl: Genau, Kunststoffe gehen genauso. Das ist bei den Werkstoffen schon mit dabei. Von daher sehe ich dort wenige Grenzen an Materialien. Prof. Franzke: Wo genau liegen die Herausforderungen vor allem unter wissenschaftlicher Sicht? Wo waren die Schwierigkeiten bei der Projektbearbeitung? Frau Dr. Krahl: Die Schwierigkeiten in der Projektbearbeitung waren, also wir hatten eine große Herausforderung, wollten neben dem Kältemittel-Phasenwechsel auch den Umlauf des Kältemaschinenöls im Kreislauf, den man ja nicht vermeiden kann, mit abbilden. Das ist uns gelungen. Das war auch die größte Herausforderung, aber auch unser größter Erfolg in dem Projekt, dass uns das gelungen ist. Ich sehe als große Herausforderung, dass es in Bezug auf dieses neue Prüfverfahren natürlich keine Normung und keine wirklichen Vergleichswerte gibt. Wir konnten bisher im Rahmen des Projektes nur für wenige Kältemittel und Öle Werkstoffkombination die Korrelation herstellen zwischen der dynamischen und statischen Alterung, aber eben nur für wenige und da fehlen einfach nur Vergleichswerte. Dr. Zerweck: Wo gibt es noch Probleme bei den Prüfverfahren? Gibt’s Stellen, wo Sie sagen, das haben wir noch nicht im Griff? Frau Dr. Krahl: Nein. Ich finde, dass wir in dem Prüfverfahren schon viel im Griff haben. Ich sage mal so, unsere klassischen, diese statischen Beständigkeitsuntersuchungen sind so sehr Routine, dass das wie von alleine durchläuft. Da sind wir bei dem neuen Prüfverfahren immer noch, dass wir so eine Art Anlaufprozess haben, je nach Kältemittel, je nach Kältemaschinenöl, dass man da noch ein paar Einstellungsparameter vorweg ermitteln muss. Aber ansonsten. Dr. Zerweck: Und gewisse Stoffe, die man nicht herauswaschen kann, die man nicht gelöst bekommt? Gibt es da irgendwelche Beschränkungen, die Sie bisher gefunden haben? Frau Dr. Krahl: Wenn ich einen Stoff nicht herausgelöst bekomme, ist das an sich ja erst mal gut. Weil es ein Zeichen dafür ist, dass er sich durch das Kältemittel oder das Kältemaschinenöl in der Tat nicht herauslösen lässt und das ist für die Beständigkeit des Werkstoffes eigentlich erst mal positiv. Prof. Franzke: Jetzt habe ich mir Ihren Versuchsaufbau ja mal angeschaut und Sie verwenden ja eine Art Geysir, um also dort diese permanente Konzentrationsgefälle aufrechterhalten zu können. Als Chemikerin eher ungewöhnlich, dass Sie Geysire konstruieren und bauen oder gab es dort eine Zusammenarbeit? Frau Dr. Krahl: Ich gebe zu, in diesem Projekt gab es eine ganz großartige Zusammenarbeit gerade mit unseren Konstrukteuren, technischen Mitarbeitern und auch unseren Werkstoffspezialisten, welche ich ja auch nicht von Haus aus bin. Ich hatte da große Unterstützung, dass da sich da viele Leute konstruktiv Ansätze überlegt haben, wie wir dieses innovative Konzept des Ölumlaufes dort integrieren können. Prof. Franzke: Wenn man das Projekt sich mal anschaut, gibt es etwas, wo Sie sagen, da müssen wir weitermachen, da ist noch Erkenntnisbedarf? Frau Dr. Krahl: Ich möchte vielleicht am liebsten eine besondere Stärke des Verfahrens betonen. Was sich dann, das schließt sich daran an, dass da vielleicht noch ein bisschen Ausbaubedarf ist. Aber die Stärke des Verfahrens liegt ja einerseits in der Anwendungsnähe zum Kältekreislauf. Aber eine wirkliche große Stärke ist die deutlich kürzere Prüfdauer bei einer deutlich niedrigeren Prüftemperatur. Wir haben im Rahmen des Projektes für ausgewählte Werkstoffe ja vergleichend statisch und dynamisch geprüft und festgestellt, dass wir mit unserem dynamischen Prüfverfahren 5-fach schneller den Werkstoff altern und das bei bis zu 60 K geringerer Prüftemperatur. Um ein Gefühl dafür zu bekommen bei einem 2-wöchigen statischen Auslagerungstest bei 130 ° erzielt man dasselbe Ergebnis mit dem dynamischen Prüfverfahren über 2 Tage bei 70 °und das bietet natürlich gerade in Bezug auf Screening-Untersuchungen oder so immense Vorteile. Und da ist jetzt unsere Aufgabe, das jetzt soweit nach außen zu tragen, dass man das auch wirklich versteht, wie effektiv dieses neue Prüfverfahren im Vergleich zu den existierenden Methoden ist. Dr. Zerweck: Was einmal den Einsatz der Werkstoffe viel näher und praktischer ansetzt und einsetzt als es durch so ein statisches Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur 130 °C irgendwie abbilden würde. Frau Dr. Krahl: Genau. Es gibt ja schlicht Werkstoffe, die sehen diese 130 ° oder selbst vielleicht 120 ° in der Realität nie, aber sie müssen ja geprüft werden und ich kann nicht ein Jahr lang einen Werkstoff prüfen. Dafür hat kein Hersteller Zeit. Das kann ich jetzt mit dem Verfahren eben auch bei quasi Einsatztemperatur oder nur bei leicht erhöhter Einsatztemperatur. Dr. Zerweck: Haben Sie noch weitere wissenschaftliche Herausforderungen, die noch warten, wenn Sie die Palette vielleicht noch mal erweitern wollen weg von nur Kältekreislauf und das Ganze verallgemeinern? Frau Dr. Krahl: Ich gebe zu, ich bin ja auch für Vorschläge offen, wir selber haben eher den Anspruch, dass wir das als Routinemethode etablieren wollen. Aber ich kann mir vorstellen, dass wir auch in andere Richtungen gerne weiterentwickeln. Dr. Zerweck: Routinemethode vornehmlich erst mal für Kältemittel und Kältekreislauf, Anlagen und Komponenten. Frau Dr. Krahl: Genau Prof. Franzke: Ich habe mal versucht, Ihre Ideen zusammenzufassen und die Frage, die ich Ihnen gerne stellen würde, ob Sie meiner Zusammenfassung folgen können. Umweltschutz und Funktionssicherheit von Kälteanlagen können mit Hilfe der vorgestellten Untersuchungsmethode auch bei neuen Dichtungsmaterialien und neuen Kältemitteln bzw. Kältemittelölen sichergestellt werden. Frau Dr. Krahl: Da stimme ich Ihnen voll und ganz zu. Prof. Franzke: Dann ganz herzlichen Dank für das tolle Gespräch und ich wünsche Ihnen allen weiterhin viel Erfolg bei der Projektbearbeitung. Danke. Frau Dr. Krahl: Ganz vielen Dank

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