Forschung – Thermophysikalische Stoffdaten
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Richter
Entwicklung eines neuen Messverfahrens für Phasengleichgewichte von fluiden Gemischen (Sachbeihilfe der DFG)
Das wesentliche Ziel diese Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines neuen Messverfahrens für Phasengleichgewichte von fluiden Gemischen basierend auf der Technologie von Mikrowellen-Hohlraumresonatoren. Dieses neue Verfahren wird eine vollständige Phasenbeschreibung (inkl. Druck, Temperatur, Zusammensetzung und Dichte) des Dampf-Flüssig Phasengleichgewichtes binärer Gemische hervorbringen und das mit einer einzigen Apparatur, in einer einzigen, schnellen Messung, ohne Probenentnahme. Die resultierende Apparatur wird einen wesentlichen Beitrag zur thermodynamischen Stoffdatenforschung leisten und den aktuellen den Stand der Messtechnik voranbringen. Wenn durch den stetigen Bedarf energietechnische Prozesse effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten oft zu hohe Kosten und eine ineffiziente Prozessgestaltung entstehen, werden die Einschränkungen existierender thermodynamischer Stoffdatenmodelle deutlich. Die Lösung liegt in der Entwicklung von genaueren und umfassenderen Zustandsgleichung für fluide Stoffe mit technischer Relevanz. Vor diesem Hintergrund hängt der Fortschritt letztlich von der Verfügbarkeit genauer Daten für die relevanten fluiden Gemische ab. Die Messung solcher Daten mit den üblichen Verfahren ist typischerweise sehr langsam und erfordert mehrere Messgeräte (z.B. für Phasengleichgewicht und Dichte). Jedes Gerät dient der Messung einer einzelnen Größe, weshalb die Gemische in mehrere Apparaturen gefüllt werden müssen, die sich häufig analytischer Verfahren bedienen, was ungünstig für Zeitbedarf und Messunsicherheit ist. Um diese andauernde Herausforderung zu adressieren, soll im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes ein neues Messverfahren für Phasengleichgewichte fluider Gemische entwickelt werden, das schneller und einfacher als die gebräuchlichen Verfahren ist. Um dieses Ziel zu erreichen, soll (1) ein Mikrowellen-Hohlraumresonator aufgebaut werden, dessen Bauform mittels Finite Elemente Analyse ermittelt wurde, (2) das mathematische Rahmenwerk entwickelt werden, um die vollständige Phasenbeschreibung zu erlangen und (3) ein gründlicher Funktionsnachweis des neuen Verfahrens durchgeführt werden.
Gekoppelte multiphysikalische Simulationsmethoden zur Beherrschung des PECM Prozesses mit Magnetic-Field-Assistance (MPECM)
(FluSimPro SPP 2231 der DFG)
Steigende Anforderungen an Bauteile hinsichtlich Miniaturisierung, Effizienz und Funktionalisierung führen zu einem erhöhten Anspruch an die Gestaltung der entsprechenden Fertigungsprozesse. Dieser Anspruch ist zunehmend in hochfesten und schwer bearbeitbaren Werkstoffen umzusetzen. Das gepulste elektrochemische Abtragen (PECM) weist ein großes Potential auf, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Maßgeblich für die Qualität und die Präzision des PECM ist das Strömungsverhalten des Elektrolyten in der Bearbeitungszone zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Hauptaufgabe des Elektrolyten ist der Transport der Ladungsträger und Abtransport der im Prozess entstehenden Abtrag- und Reaktionsprodukte. Ein überlagertes Magnetfeld bietet eine Möglichkeit, den Ladungs-, Wärme- und Stofftransport des Elektrolyten derart zu beeinflussen, dass bisherige Grenzen des PECM hinsichtlich Abtragraten, Oberflächenqualität und Materialspektrum erweitert werden. Als Resultat wird die Effizienz des PECM als Produktionsprozess weiter gesteigert. Übergeordnetes Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist demnach die Erweiterung des PECM um ein überlagertes Magnetfeld als steuerbare Prozessgröße. Zentraler Ansatz für die Erforschung des magnetfeldgestützten PECM ist die skalenübergreifende, simulationsgestützte Identifikation der Einflüsse von Magnetfeldern auf den Ladungs-, Wärme- und Stofftransport des Elektrolyten innerhalb der Bearbeitungszone und die Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit der Professur Mikrofertigungstechnik an der TU Chemnitz unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert bearbeitet.
Taudichten fluider Gemische – Verknüpfung von Experiment und molekularer Simulation (Sachbeihilfe der DFG)
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die genaue Bestimmung von Taudichten fluider Gemische. Da Präzisionsdichtemessungen in der Nähe der Taulinie durch Sorptionseffekte und Kapillarkondensation beeinträchtigt werden, wird eine Methodik entwickelt, die hochgenaue gravimetrische Dichtemessungen mit Molekulardynamik-Simulationen (MDS) verknüpft. Diese Methodik wird einen Beitrag zur vollständigen und genauen Beschreibung der Taulinie von Gemischen (inkl. Druck, Temperatur, Zusammensetzung und Dichte) in bislang unerreichter Güte liefern. Darauf basierend kann der Stand der Wissenschaft von existierenden Zustandsgleichungen, die das Phasengleichgewicht von Gemischen beschreiben können, vorangetrieben werden. Die genaue Kenntnis des Phasenverhaltens von Gemischen ist für viele wissenschaftliche und technische Aufgabenstellungen von grundlegender Bedeutung, z.B. im Bereich des Erdgastransportes und der CO2-Abscheidung und Verwendung. Darum werden entsprechende Zustandsgleichungen benötigt, für deren Entwicklung als wichtigste Grundlage genaue experimentelle Vapor-Liquid Equilibrium (VLE) Daten dienen. Diese Daten schließen jedoch nur selten auch Siede- und Taudichten ein, obwohl genau diese Dichten benötigt werden, um das Phasengleichgewicht vollständig zu beschreiben. Während genaue Messungen der Siededichte von fluiden Gemischen möglich sind, müssen störende Oberflächenphänomene (Adsorption und Kapillarkondensation) bei der genauen Messung von Taudichten verstanden und berücksichtigt werden. Deshalb wurde in der Emmy Noether-Gruppe des Antragsstellers entsprechende gravimetrische Präzisionsdichtemesstechnik entwickelt und aufgebaut. Trotz dieser Messtechnik ist eine direkte Messung der Taudichte nicht möglich und selbst die derzeit genauesten Messungen geben keinen exakten Aufschluss über die Lage des „wahren“ Taupunktes. Hierbei kann MDS ein besseres Verständnis auf atomistischer Ebene liefern und damit einen wesentlichen Beitrag zur Interpretation der Messergebnisse leisten. Darüber hinaus wird MDS bei der Entwicklung von Korrekturmodellen für die Dichtemessung in der Nähe der Taulinie voraussichtlich helfen.
Maschinelles Lernen und optimale Versuchsplanung zur Modellierung thermodynamischer Stoffdaten (SPP 2331 der DFG)
Für viele Aufgaben in der Chemie- und Energietechnik spielt die genaue Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften (z. B. Druck und Temperatur mit Dichte und Schallgeschwindigkeit) und des Phasenverhaltens der beteiligten Fluide eine Schlüsselrolle. In der Wissenschaft sind solche Eigenschaften für das grundlegende Verständnis des chemisch-physikalischen Verhaltens und für die Entwicklung von Vorhersagemodellen erforderlich. Für die Industrie sind thermodynamische Eigenschaften die Grundlage für die Gestaltung sicherer und nachhaltiger Prozesse und Maschinen. Die Qualität von Stoffdatenberechnungen mittels Zustandsgleichungen (EOS) hängt jedoch weitgehend von der Verfügbarkeit und Genauigkeit experimenteller Daten ab. Messungen solcher Daten werden häufig in einem dichten Raster von Messpunkten durchgeführt, was letztlich einen umfassenden Datensatz liefert. Mit dem Ziel, eine genaue EOS zu entwickeln, ist dieser Ansatz jedoch zeitaufwändig, während unklar ist, ob alle Daten für die Modellentwicklung tatsächlich von Bedeutung sind. Infolgedessen ist die Entwicklung zuverlässiger Modelle aufgrund des erforderlichen zeitlichen und finanziellen Aufwands eher begrenzt. In Anbetracht dessen ist es äußerst wünschenswert, die Modellentwicklungszeit erheblich zu verkürzen, indem die Menge der experimentellen Daten auf das erforderliche Maß begrenzt wird, und funktionale Formen einzubeziehen, die kurze Rechenzeiten für die Anwendung in der Prozesssimulation ermöglichen. Daher besteht das Hauptziel dieses Forschungsprojekte im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "Maschinelles Lernen in der Verfahrenstechnik. Wissen trifft auf Daten: Interpretierbarkeit, Extrapolation, Verlässlichkeit, Vertrauen" darin, die oben genannten Probleme zu lösen. Dazu ist ein gezieltes Zusammenspiel zwischen (1) interpretierbarem maschinellen Lernen (ML), um die ideale funktionale Form der EOS zu finden, (2) optimaler Versuchsplanung, um die am besten geeigneten Messpunkte zu bestimmen, und (3) dem eigentlichen Experiment vorgesehen. Ein möglicher Workflow kann wie folgt aussehen: Ausgehend von ersten Messungen der thermodynamischen Eigenschaften wird eine ML-basierte EOS-Modellierung verwendet, um eine vorläufige funktionale Form zu ermitteln. Diese wird eingesetzt, um die informativsten Messungen vorherzusagen, die dann Eingang in die weitere EOS-Modellierung finden. Wann dieser Workflow beendet werden muss, ist Teil des Arbeitsprogramms. Ein wichtiges Ergebnis des Vorhabens ist ein In-situ-Softwaretool für die thermodynamische Versuchsplanung und Modellentwicklung, das den experimentellen Aufwand, die Modellgenauigkeit und die Interpretierbarkeit berücksichtigt. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe Wissenschaftliches Rechnen und Optimierung an der Universtität Heidelberg unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Roland Herzog bearbeitet.
SAFEST - Sustainable Advanced Flow Meter Calibration for the Transport Sector (EU-/EMPIR-Projekt)
Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Grundlage für eine fortschrittliche Durchflussmesstechnik im Verkehrssektor zu schaffen, um zuverlässige Kraftstoffverbrauchsmessungen bei Bedarf im Straßen- und Seeverkehr zu gewährleisten. Durch die Ermöglichung betriebsnaher Charakterisierungen von Durchflussmessern und eine bessere Berücksichtigung des Einflusses der Kraftstoffeigenschaften auf die Durchflussmessung werden Innovationen im Verkehrssektor gefördert und der verstärkte Einsatz nachhaltiger alternativer Verkehrskraftstoffe unterstützt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse zu entsprechenden Emissionsberechnungen beitragen. Weitere Details zu diem Projekt sind auf den Webseiten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zu finden.
Determination of Pure Component Properties of Sulfur Species under Cryogenic Conditions – GPA Midstream Project No. 213
Schwefelverbindungen sind allgegenwärtige Verunreinigungen von Roh-Erdgasen. Sie müssen aus verschiedenen Gründen aus Erdgasprodukten, wie LNG und NGL, entfernt werden. Um eine sichere, effiziente und spezifikationskonforme Produktion von Erdgasanlagen zu gewährleisten, ist es unerlässlich, das Ausfrieren der verschiedenen Schwefelverunreinigungen genau vorherzusagen. Das Modell für die Vorhersage der thermodynamischen Eigenschaften besteht aus zwei Teilen: (1) aus den Eigenschaften der reinen Komponenten und (2) aus Phasengleichgewichtsdaten für die entsprechenden Gemische. Genaue Vorhersagen sind nur möglich, wenn beide Teile mit angemessener Genauigkeit bekannt sind. Das Projekt wird von Gas Processors Association (GPA) Midstream gefördert und in Zusammenarbeit mit der Fluid Science and Resources Division von der University of Western Australia durchgeführt.
HZwo:StabiGrid - Technische und ökonomische Auslegung des Wasserstoffsystems zur Stabilisierung des Elektronetzes für 80% erneuerbare Energien (ESF Plus Nachwuchsforschungsgruppe)
Diese Nachwuchsforschungsgruppe verfolgt das Ziel, einen Beitrag zur Wandlung des Elektroenergiesystems hin zu einer vorwiegenend erneuerbaren Elektroenergiebereitstellung zu leisten. Durch den Wegfall der klassischen Großkraftwerke auf Braunkohle- und Kernenergiebasis sowie der verringerten Nutzung von Gaskraftwerken wird die Netzstabilität im zukünftigen Elektroenergiesystem eine hohe Aufmerksamkeit benötigen. Dieses Projekt soll zeigen, welche Rolle Wasserstoffsysteme beim Stabilitätsmanagement des Elektroenergiesystems einnehmen können. Dabei werden auf dem Gebiet der Thermodynamik grundlegende Untersuchungen zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff z.B. in Erdgas (HENG – Hydrogen Enriched Natural Gas) und in Adsorbentien durchgeführt. Darauf aufbauend und unter Berücksichtigung weiterer Speichertechnologien (z.B. Verflüssigung, Druckspeicher, Metallhydride) soll das dynamische Verhalten der Wasserstoff-Speicherung zur Netzstabilisierung bewertet werden.
Öl-Kältemittel-Mehrphasenströmungen in Spalten mit bewegten Berandungen – Neuartige mikroskopische und makroskopische Ansätze für Experiment, Modellierung und Simulation (DFG FOR 5595 "Archimedes")
Das Hauptziel der Forschungsgruppe FOR 5595 ist die Entwicklung eines validen Berechnungsmodells für mehrphasige Schwall- und Spaltströmungen für Öl-Kältemittelgemische in Rotationsverdrängern auf der Basis neuartiger mikroskopischer und makroskopischer Ansätze für Experimente und Simulationen. Eine entscheidende Voraussetzung für diese Modellentwicklung ist die Kenntnis der auftretenden Strömungsformen (z.B. Blasen-, Schwall-, Nebelströmung), die maßgebend von den thermophysikalischen Eigenschaften der Fluidgemische und Betriebsrandbedingungen abhängen. Die geringen Spalthöhen (< 0,3 mm) in Verbindung mit bewegten Spaltberandungen erfordern dabei eine kombinierte experimentelle und numerische Strömungsanalyse. An dem generischen Versuchsmodell eines rotierenden Körpers in einem zylindrischen Glasgehäuse wird ein neues laseroptisches Konzept zur räumlich und zeitlich aufgelösten Messung der zweiphasigen Schwall- und Spaltströmung erprobt und mit hochauflösenden Strömungssimulationen verglichen. Darauf aufbauend wird ein Berechnungsmodell für die Mehrphasenströmung in engen Spalten mit bewegten Berandungen entwickelt. Die zum Einsatz kommenden Öl-Kältemittelgemische weisen ein stark asymmetrisches Mischungsverhalten auf. Für derartige Gemische werden erstmalig die relevanten thermophysikalischen Eigenschaften systematisch und genau gemessen sowie in präzise Zustandsgleichungen und Transporteigenschaftsmodelle überführt. Die Struktur der Modelle wird so gestaltet, dass sie auf andere stark asymmetrische Gemische übertragbar ist. Zusätzlich wird zur Anwendung der Modelle in der Strömungssimulation auf eine akzeptable Berechnungsgeschwindigkeit geachtet. Die neuen Modelle für die thermophysikalischen Eigenschaften der Fluidgemische zusammen mit den neuen Berechnungsansätzen für die mehrphasige Schwall- und Spaltströmungen ermöglichen zukünftig eine verbesserte Auslegung von effizienten Rotationsverdrängern für Öl-Kältemittelgemische und tragen damit zur Reduktion des Ressourcenverbrauchs bei.
Vergangene Projekte auf dem Gebiet der Stoffdatenforschung
Taudichten fluider Gemische – Neue Methoden zur Messung und Modellierung (Emmy Noether-Programm der DFG)
Förderung von 2015 bis 2022
Das Ziel der Emmy Noether-Gruppe war die Entwicklung neuer experimenteller Methoden zur genauen Messung der Taudichten von fluiden Gemischen. Probleme existierender Verfahren sollten dabei überwunden werden. Dies umfasste die Quantifizierung von Sorptionseffekten, wodurch die Messunsicherheit ganz erheblich verringert werden konnte. Darüber hinaus sollten neue theoretische Ansätze (empirisch und basierend auf Molekulardynamik-Simulation) entwickelt werden, die erstmalig die fest etablierten Gebiete der thermodynamischen Stoffdatenmessung und der Soprtionsphänomene miteinander verknüpften.
Entwicklung gravimetrischer Messtechnik mit integriertem Raman-System für Präzisions-Sorptionsanalysen (ZIM Kooperationsprojekt)
Förderung von 2020 bis 2022
Für die Auslegung industrieller Sorptionsprozesse ist eine Charakterisierung der eingesetzten Sorbentien unter Prozessbedingungen erforderlich, die in der Ermittlung von Adsorptionsisothermen münden. Die derzeit genaueste Methode zur Hochdruckanalyse von Sorptionsprozessen stellt die gravimetrische Messung der sorptionsbedingten Gewichtsänderung des Probenmaterials mittels einer Magnetschwebewaage dar. Obwohl kein anderes Verfahren im Hochdruckbereich an die geringe Messunsicherheit gravimetrischer Sorptionsmesssysteme heranreicht, weisen die bis dato erhältlichen Systeme klar benennbare Defizite auf. Diese betreffen die fehlende Eignung für Sorptionsanalysen nicht-starrer Sorbentien, die Messabweichungen infolge nicht-intendierter Sorptionseffekte am Versuchsaufbau, die fehlerhafte Annahme der Gibbschen Exzessadsorption sowie die unzureichende präzise und homogene Temperierung des Systemaufbaus. Gegenstand des Förderprojekts ist die Entwicklung eines neuartigen gravimetrischen Sorptionsmesssystems mit integriertem Raman-System, das die genannten Defizite behebt und den Stand der Technik auf dem Gebiet der Hochdruck-Sorptionsmessung voranbringt. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Firma RUBOLAB bearbeitet.
Thermodynamics of LNG – GPA Midstream Project No. 173
Förderung von 2018 bis 2023
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens mit der Gas Processors Association (GPA) Midstream werden verschiedene thermophysikalische Eigenschaften von unterschiedlichen synthetischen verflüssigten Erdgasen (LNG) bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken gemessen. Die experimentellen Ergebnisse dienen der Evaluation von aktuell in der Erdgas-Industrie häufig verwendeten Stoffdatenmodellen. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Fluid Science and Resources Division von der University of Western Australia durchgeführt.
HyAct - Integration von stoffmechanischem Wandler und elektromechanischem Stellantrieb in einer neuartigen Hybridaktorik für ressourceneffiziente Leichtbauanwendungen (ZIM Kooperationsprojekt)
Föderung von 2021 bis 2024
Formgedächtnislegierungen (FGL) besitzen die faszinierende Eigenschaft der Gestalterinnerung, die auf eine kristallographisch reversible Martensit-Austenit-Phasenumwandlung des Funktionswerkstoffes zurückzuführen ist. Genutzt wird diese besondere Eigenschaft von FGL in stoffmechanischen Aktoren. Während elektromechanische Stellantriebe große Stellkräfte und -momente nur in Verbindung mit einem vergleichsweise hohen Aktorgewicht aufbringen können, zeichnen sich FGL-Aktoren durch hohe Leistungsdichte aus und begünstigen so die Realisierung aktorischer Leichtbauanwendungen. Nachteile hingegen weisen FGL-Aktoren in puncto Regelbarkeit und Dynamik auf. Ziel des FuE-Vorhabens ist daher die Zusammenführung von elektromechanischem und stoffmechanischem Wandlerprinzip in einer neuartigen Hybridaktorik, die als völlig neue Aktor-Gattung die Wirkprinzip-spezifischen Defizite jedes einzelnen Wandlerprinzips kompensiert und die Stärken symbiotisch vereint. Durch das orchestrierte Zusammenwirken von elektromechanischem Wandler und stoffmechanischer FGL-Aktorik wird ein hocheffizienter Stellantrieb mit geringem Eigengewicht geschaffen. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Firma ingpuls bearbeitet.
Decarb - Metrology for Decarbonising the Gas Grid (EU-/EMPIR-Projekt)
Föderung von 2021 bis 2024
Die Nutzung von Erdgas als Primärenergieträger ist ein Hauptproblem der globalen Erwärmung. Die Dekarbonisierung der Gasnetze ist neben der Elektrifizierung eine mögliche Lösung, um die Klimaschutzziele zu erreichen und den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren. Dieses Projekt wird das erste Großprojekt seiner Art sein, das vier Messherausforderungen angeht, die die Gasindustrie lösen muss, bevor sie das Gasnetz durch die Einführung von Biomethan, wasserstoffangereichertem Erdgas, 100 % Wasserstoff sowie Kohlenstoffabscheidung und Speicherung (CCS) dekarbonisieren kann. Das Projekt wird die vorrangigen Herausforderungen in den Bereichen Durchflussmessung, Gaszusammensetzung, physikalische Eigenschaften und Sicherheit (einschließlich Überwachung von Gaslecks) abdecken. Weitere Informationen zu diesem Projekt sind (demnächst) auf den Webseiten des National Physical Laboratory (NPL) zu finden.
Alle Veröffentlichungen zu den Projekten finden Sie in unserer Publikationsübersicht.
