Elektromagnetische Materialeigenschaften

Die Kenntnis der elektromagnetischen Materialkenngrößen ist eine wesentliche Voraussetzung zur erfolgreichen Planung und dem Einsatz nicht und minimal invasiver elektromagnetischer Verfahren (z. B. Resonatorverfahren, TDR) zum zeitlichen und räumlichen Monitoring physikalischer Zustandsgrößen.

Schwerpunkte

  • Bestimmung breitbandiger elektromagnetischer Materialeigenschaften
  • Theoretische Konzepte zur Modellierung der Wechselwirkung elektromagnetischer (EM) Wellen mit porösen Materialien
  • Entwicklung von breitbandigen elektromagnetischen Mischgesetzen
  • Einsatz von Leistungsmikrowellen zur Materialmodifizierung

Werkzeuge

  • Breitbandige elektromagnetische Messtechnik
  • Numerische multiphysikalische 3D-Modellierungspakete
  • Theoretische Konzepte zur Kopplung elektromagnetisch/physiko-chemischer Materialeigenschaften

 

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Projekte

Intermittierende Mikrowellentrockung für die Ziegelindustrie

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Ziegelforschung Essen e.V. und dem Institut für Verfahrenstechnik (IVT) der Universität Magdeburg hat die MFPA ein Forschungsprojekt zur Entwicklung der Mikrowellentrocknung für die Ziegelindustrie beantragt.

Die MFPA wird innerhalb dieses Forschungsprojektes den Fokus der Forschungsarbeiten auf die theoretische Vorhersage des Energieeintrags in den Ziegelrohling während der intermittierenden Mikrowellentrocknung legen. Dazu müssen die dielektrischen Materialeigenschaften bestimmt werden, welche in die elektrodynamischen Berechnungsmodelle eingehen. Der Energieeintrag kann dann mittels HFSS simuliert werden. Zur Überprüfung der Simulationsergebnisse wird an der MFPA ein einfacher Versuchsaufbau erstellt und der Temperaturverlauf im Probekörper vermessen. Damit wird sichergestellt, dass die instationären, wechselwirkenden elektro- und thermodynamischen Prozesse durch die Simulation abgebildet und gelöst werden können.

Die intermittierende Mikrowellentrocknung kann derzeit als einziges alternatives Verfahren die rein auf fossilen Brennstoffen basierende konvektive Trocknung in der Ziegelindustrie ablösen und zu einer Verkürzung der Trocknungsdauer bei gleichzeitiger energetischer Optimierung des Prozesses beitragen. Der im Vergleich zur konvektiven Trocknung um ein Vielfaches effizientere Energieeintrag ermöglicht sehr hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten und bedarf daher einer gut optimierten Regelung. Andernfalls würden die hohen Dampfdrücke zur Zerstörung der Ziegelrohlinge führen. Die Prozessteuerung muss auf den zeitlich veränderlichen und beiderseitig gekoppelten Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen im Inneren der Ziegel basieren. Bisher existieren aber keine belastbaren Daten an Hand derer dies realisierbar ist. Ziel des Projektes ist es, auf Grundlage der Materialeigenschaften und experimentbasierter Berechnungsmodelle die intermittierende Mikrowellentrocknung so weit zu entwickeln, dass sie als Verfahrensschritt für die Ziegelindustrie und somit als ein alternatives Trocknungsverfahren zur Verfügung steht. Zur Beschreibung des Trocknungsprozesses sollen elektrodynamische und thermodynamische Modelle formuliert und miteinander gekoppelt werden. Für die Modellformulierung und deren Validierung werden Experimente in einem absatzweise betriebenenMikrowellentrockner stattfinden. Außerdem ist eine vollständige Charakterisierung sowohl der  Ziegelrohlinge wie auch der fertig getrockneten Produkte vorgesehen. Von den angestrebten Ergebnissen würden die Ziegelhersteller (im Wesentlichen KMU) direkt und die Anlagenbauer der Ziegelindustrie und Mikrowellenhersteller (vorwiegend KMU) indirekt profitieren. Ziel ist es, im absehbar wachsenden Markt ressourcenschonender Trocknungstechnologien die Wettbewerbsfähigkeit deutscher KMU durch innovative und wissensbasierte Methoden zu sichern und auszubauen.

Effektive Trocknerführung durch materialspezifische Feuchtebestimmung
Projektträger: BMWi / AiF-IGF / FV Ziegel
Laufzeit: 08/2016 – 01/2019
Zusammenfassung der Ergebnisse: Feuchtebestimmung Ergebnisse (PDF)
Kurzfassung:

Die Ziegelindustrie gehört zu den energie- und rohstoffintensiven Branchen. Dabei ist die Rohlingstrocknung der mit Abstand energieintensivste Verfahrensschritt in der Ziegelherstellung. Der Trocknungsprozess wird von den Betreibern auf Basis von Erfahrungswerten gesteuert, was zu einer ineffektiven Trocknerfahrweise führt. Für die Prozesssteuerung ist daher die Kenntnis der Feuchteverteilung in den Rohlingen während der Trocknung interessant.
Das Ziel des Forschungsprojektes ist, den zeitlichen Verlauf der Trocknung zu erfassen. Dafür wird der integralen Feuchtemesswertes von einem neu zu entwickelnden zerstörungsfreien Messverfahren, welches die Schwindung berücksichtigt, mit einer simulativen Berechnung der lokalen Feuchteverteilung gekoppelt. Mit der Kenntnis der Kernfeuchte kann die Trocknungsführung verbessert werden.
Im Projekt wird ein dielektrisches Feuchtemessverfahren entwickelt, welches speziell die Bedingungen der Ziegelrohlingstrocknung berücksichtigt. Der Sensor des Messsystems wird unter Beachtung des Einflusses der Trockenschwindung, der Feuchteänderung und der Temperatur auf die Permittivität designet. Das Messsignal geht in ein modifiziertes Berechnungsverfahren ein, welches damit aus den komplexen Zusammenhängen des Wärme- und Stofftransportes im Ziegelrohling die Kernfeuchte kontinuierlich berechnen kann.
Die Bestimmung der Variation der hygro-thermischen und der dielektrischen Materialeigenschaften während der Trocknung sowie deren Kombination bilden die Grundlage in diesem Projekt. Mit den daraus abgeleiteten Gesetzmäßigkeiten wird über dielektrischen Simulationen das Messverfahren qualifiziert, wobei der Fokus auf das kapazitive und das Radarverfahren liegt. Ein für die Trocknung von Rohlingen appliziertes Berechnungsverfahren wird anhand der hygrothermischen Materialeigenschaften weiterentwickelt und angepasst. Das neu gestaltete Messsystem wird in einem Laboraufbau realisiert und erprobt.

 

Tomografisches Abbildungssystem zur zerstörungsfreien Qualitäts­bewertung von Nadel-Stammholz auf Basis von Ultraschall- und Radarverfahren (UltraLog)
Projektpartner: Institut für Holztechnologie Dresden
ThüringenForst, Gotha
Projektträger: AiF-IGF / TIHD
Laufzeit: 06/2014 – 11/2016

 

Kohlendioxidspeicherung-Bohrlochsimulator (COBRA)
Projektpartner: KIT Karlsruhe
University of Queensland, Australien
Sceme.de GmbH
Projektträger: BMBF
Laufzeit: 09/2011 – 02/2015

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Analyse hydraulisch/dielektrisch gekoppelter Materialeigenschaften mineralischer Böden
Projektpartner: KIT Karlsruhe
University of Queensland, Australien
Projektträger: DFG
Laufzeit 03/2009 – 02/2012

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UWB-Sensor zur Feuchteüberwachung in Hochwasserschutzbauten, Deponiebauten und in der Landwirtschaft
Projektpartner: TU Ilmenau, FG Elektronische Messtechnik
MEODAT GmbH
Projektträger: Thüringer Aufbaubank
Laufzeit 06/2009 – 05/2012
Bewertung und Prognose der Standsicherheit von Hochwasserschutzdeichen durch Monitoring mittels Time Domain Reflectometry
Projektpartner: TH Karlsruhe, Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik
IBF Laserlabor Göttingen e.V. (Teil Geotechnik)
Projektträger: BMBF / PTKA-WTE
Laufzeit 08/2004 – 04/2008

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Weiterentwicklung eines TDR-Messverfahrens zur Quantifizierung von Feuchte- und Dichteverteilungen in Bentonitversuchsbauwerken
Projektpartner: TU Bergakademie Freiberg
IBEWA Freiberg
Projektträger: BMBF / PTKA-WTE
Laufzeit 05/2004 – 02/2009

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Entwicklung eines Messsystems zur Feuchtemessung in Bentonitabschlussbauwerken in salinarer Umgebung
Projektpartner: TU Bergakademie Freiberg
IBEWA Freiberg
Projektträger: BMBF / PTKA-WTE
Laufzeit 11/2000 – 03/2004
Publikationen

Wagner, N.; Schwing, M.; Scheuermann, A.: Numerical 3-D FEM and Experimental Analysis of the Open-Ended Coaxial Line Technique for Microwave Dielectric Spectroscopy on Soil. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 52 (2014), No. 2, pp. 880–893  Link ...

Wagner, N.; Bore, T.; Coelho, D.; Robinet, J.-C.; Taillade, F.; Delepine-Lesoille, S.: Dielectric Relaxation Behavior of Callovo-Oxfordian Clay rock: A Hydraulic-Mechanical-Electromagnetic Coupling Approach. Journal of Geophysical Research Solid Earth 118 (2013), pp. 4729–4744  Link ...

Wagner, N.; Emmerich, K.; Bonitz, F.; Kupfer, K.: Experimental Investigations on the Frequency- and Temperature-Dependent Dielectric Material Properties of Soil. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 49 (2011), No. 7, pp. 2518–2530  Link ...

 

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