Plattenwärmetauscher aus SiC-Keramik für Hochtemperaturanwendungen (Diplomarbeit)

Kurzfassung

Keramische Werkstoffe sind sehr aussichtsreiche Materialien für die Realisierung thermomechanisch hochbelasteter Komponenten. Sie besitzen eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. In der heutigen Zeit spielt eine effiziente Energienutzung eine große Rolle, besonders in den Bereichen Wärmerückgewinnung in Blockheizkraftwerken oder Metallverarbeitung, bei denen hohe Temperaturen auftreten. Hier liegt die Stärke der keramischen Plattenwärmeübertrager, da diese sich unter anderem durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnen. In der vorliegenden Diplomarbeit wurden Parameter für die Herstellung von Wärmeübertragerplatten aus biomorpher SiC-Keramik erarbeitet. Hierfür wurden Gesenkeinlegplatten mit unterschiedlichen Stegstrukturen konstruiert, um aus unterschiedlichen Trockenpulvermischungen Wärmeübertragerplatten mittels Axialpresstechnik herzustellen. Um zu einer C-Si-SiC-Keramik zu gelangen, wurden die gepressten Einzelplatten pyrolysiert und abschließend mit Siliciumschmelze infiltriert. Dabei stellte sich heraus, dass für die Prozesskette Trockenpulvergemische vom Typ B1-30 (30 % Harz; 30 % Fasern, 40 % Holzmehl) am besten zum Pressen geeeignet sind. Ab einem Harzanteil von 30 % konnte eine gute Abbildung der Stegstrukturen mit ausreichender Festigkeit erzeugt werden, so dass die entsprechenden Platten mit einem Druck von p = 4 MPa gefügt werden können ohne deformiert zu werden. Weitere Untersuchungen in der Fügetechnik zeigten, dass die Fügung im Holzwerkstoffzustand durch die Verwendung von Holzklebstoff-Dispersionen auf der Basis von Polyvinylacetat (Ponal) eine optimale stoffschlüssige Verbindung ergibt. Nach der Durchführung der Hochtemperaturschritte zeigte sich, dass in Zukunft Stege mit einem hohen Längen/Breitenverhältnis eingesetzt werden sollten, um Schrumpfungsspannungen innerhalb eines gefügten Wärmeübertrager-Stacks zu minimieren. Zudem sollten Freiflächen in der Plattenebene vermieden werden, da ansonsten die Gefahr besteht, dass es während der Pyrolyse zu Verformungen oder Rissbildungen kommt. Eine passgenaue Silicierung ist noch nicht möglich, da innerhalb der Wärmeübertrager hohe Dichtegradienten auftraten. Durch diese Untersuchungen konnten Randbedingungen für ein fertigungsgerechtes Design und für die reproduzierbare Fertigung festgelegt werden, um bei der weiteren Entwicklung der Wärmeübertragerplatten Fehler im Werkstoffgefüge zu vermeiden.