Lehrstuhlbroschüre - Lehrstuhl für Prozessmaschinen und ...
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<strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>Prozessmaschinen</strong> <strong>und</strong><br />
Anlagentechnik
2<br />
LEHRSTUHL FÜR<br />
PROZESSMASCHINEN UND<br />
ANLAGENTECHNIK<br />
Herausgeber:<br />
<strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik<br />
Friedrich-Alexander-Universität<br />
Erlangen-Nürnberg<br />
Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker<br />
Redaktion:<br />
PD Dr. S. Becker<br />
Layout:<br />
Ina Platte, www.inani-design.de<br />
Fotos:<br />
K. Fuchs, www.fuchs-foto.de<br />
Druck:<br />
Druckhaus Oberpfalz, Amberg<br />
Datum:<br />
Juni 2010
Inhalt<br />
Vorwort 4<br />
Forschung 6<br />
Lehre 8<br />
Fluidsystemdynamik <strong>und</strong> Strömungsakustik<br />
Forschungsziele 10<br />
Maschinenakustik 12<br />
Modellierung <strong>und</strong> Simulation 14<br />
Hochdruck-, Pumpen- <strong>und</strong> Verfahrenstechnik<br />
Forschungsziele 16<br />
Hochdruckprozesse <strong>und</strong> Pumpensysteme 18<br />
Verfahrenstechnologie 20<br />
Chemische <strong>und</strong> Biologische Prozesstechnik<br />
Forschungsziele 22<br />
Ionische Flüssigkeiten 24<br />
Mechanische Behandlung von biologischem<br />
Material 26<br />
Lageplan 28<br />
3
4<br />
LEHRSTUHL FÜR<br />
PROZESSMASCHINEN UND<br />
ANLAGENTECHNIK<br />
Vorwort<br />
Das Fachgebiet der <strong>Prozessmaschinen</strong>-<br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik erstreckt<br />
sich in viele Felder der Verfahrenstechnik,<br />
stellt eine interessante inge-<br />
nieurtechnische Verbindung zwischen<br />
wissenschaftlichen Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong><br />
konkreten industriellen Anwendungen<br />
dar <strong>und</strong> ist im universitären Bereich<br />
geprägt durch eine große thematische<br />
Vielfalt. Oft sind die Entwicklungen<br />
neuer Verfahren mit der<br />
zugehörigen optimalen Prozessausrüstung<br />
gekoppelt. Es müssen komplexe<br />
Systeme mit all ihren Facetten<br />
hinsichtlich Funktion, Verschleiß, Dynamik<br />
<strong>und</strong> Optimierung betrachtet<br />
werden. Damit ergibt sich ein großes<br />
<strong>und</strong> weites Forschungsgebiet, das<br />
enorme Herausforderungen beinhaltet,<br />
aber zugleich auch viel Raum <strong>für</strong><br />
innovative Ingenieurlösungen bietet.<br />
Aufgr<strong>und</strong> der hohen Kompetenz <strong>und</strong><br />
Kreativität seiner Mitarbeiter hat sich<br />
der <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik (iPAT) der Technischen<br />
Fakultät über Jahre hinweg<br />
Kenntnisse erarbeitet, die es ihm ermöglichen,<br />
die Methoden <strong>für</strong> gr<strong>und</strong>legende<br />
Forschungsarbeiten <strong>und</strong> <strong>für</strong><br />
die Lösung praktischer Ingenieuraufgaben<br />
gezielt einzusetzen. Wir<br />
sind in der Lage, die angesprochene<br />
Themenvielfalt angemessen zu vertreten,<br />
innovative Forschungsprojekte<br />
anzustoßen <strong>und</strong> interessierte<br />
Partner effizient <strong>und</strong> kompetent zu<br />
beraten <strong>und</strong> zu unterstützen. Die<br />
vorliegende Broschüre gibt einen<br />
Überblick über das bisher Erreichte.<br />
Sie beschreibt das Team <strong>und</strong> die<br />
Struktur, die sich der <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong><br />
die Lösung seiner Forschungs- <strong>und</strong><br />
Entwicklungsaufgaben gegeben hat.<br />
Es werden Informationen über gegenwärtige<br />
<strong>und</strong> zukünftige Kooperationsmöglichkeiten<br />
aufgezeigt.<br />
Der <strong>Lehrstuhl</strong> ist hierbei in das Department<br />
Chemie- <strong>und</strong> Bioingenieurwesen<br />
integriert, das sich in den<br />
letzten Jahren zu einem der führenden<br />
Institute der Verfahrenstechnik<br />
in Deutschland entwickelt hat. Mit<br />
seinen Lehrstühlen deckt es nahezu<br />
alle Themen der Verfahrenstechnik,<br />
von der Reaktionschemie, der Thermischen<br />
Verfahrenstechnik, der Strö-<br />
mungsmechanik, der Partikel- <strong>und</strong><br />
Grenzflächentechnik, der Multiskalensimulation,<br />
der Technischen Ther-<br />
modynamik, der Bioverfahrenstech-<br />
nik, der Energietechnik <strong>und</strong> der<br />
Medizinischen Biotechnologie ab.<br />
Diese Lehrstühle sind eng vernetzt<br />
<strong>und</strong> kooperieren auf der Basis eines<br />
gemeinsamen Verständnisses sehr<br />
erfolgreich. Das Department leitet<br />
das Exzellenzcluster (EAM) der Universität,<br />
betreibt ein Graduiertenkol-<br />
leg <strong>für</strong> optische Technologien (SAOT)<br />
<strong>und</strong> ist federführend verantwortlich<br />
<strong>für</strong> die Nuremberg Energy Labs (NEL).<br />
Der iPAT bietet Lehrveranstaltungen<br />
in allen relevanten Themen der <strong>Prozessmaschinen</strong>-<br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik<br />
sowie der ingenieurtechnischen Managementpraxis<br />
an. Außerdem hal-<br />
ten wir <strong>für</strong> Industriepartner Weiterbildungsangebote<br />
bereit. Es ist unser<br />
Bestreben, die wissenschaftliche <strong>und</strong><br />
industrielle Kompetenz in der Industrie<br />
weiter auszubauen.<br />
Der <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik versteht sich<br />
daher als Institution, die Praxis <strong>und</strong><br />
Theorie, Lehre <strong>und</strong> Forschung gewinnbringend<br />
verbindet, die Partner<br />
seiner K<strong>und</strong>en bei Problemlösungen<br />
<strong>und</strong> Ideenfindungen ist <strong>und</strong> dabei<br />
den Menschen in den Mittelpunkt<br />
stellt.<br />
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker
Administration<br />
Dr.-Ing. L. Depmeier<br />
Fluidsystemdynamik <strong>und</strong><br />
Strömungsakustik<br />
PD Dr.-Ing. habil. S. Becker<br />
Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker, <strong>Lehrstuhl</strong>inhaber<br />
Forschung<br />
PD Dr.-Ing. habil. S. Becker<br />
<strong>Lehrstuhl</strong>inhaber<br />
Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker<br />
Sekretariat<br />
I. Wischnewski<br />
Forschungsbereiche<br />
Hochdruck-, Pumpen- <strong>und</strong><br />
Verfahrenstechnik<br />
Dipl-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. N. Alt<br />
Lehre <strong>und</strong> EDV<br />
Dr.-Ing. W. Wirth<br />
Technik<br />
P. Reichel-Lesnianski<br />
Chemische <strong>und</strong> Biologische<br />
Prozesstechnik<br />
Dipl.-Ing. N. Ebel<br />
5
6<br />
LEHRSTUHL FÜR<br />
PROZESSMASCHINEN UND<br />
ANLAGENTECHNIK<br />
Forschung<br />
Hohe <strong>und</strong> effiziente Forschungs- <strong>und</strong><br />
Entwicklungsaktivitäten im technisch-<br />
wissenschaftlichen Gebiet erfordern<br />
die Bereitstellung einer leistungsfä-<br />
higen apparativen Ausstattung sowohl<br />
<strong>für</strong> experimentelle Untersuchungen<br />
als auch <strong>für</strong> numerische<br />
Simulationen. Der <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik<br />
weist nach einem stetigen Ausbau<br />
Einrichtungen auf, die es ihm erlauben,<br />
Gr<strong>und</strong>lagenuntersuchungen <strong>und</strong><br />
praxisbezogene industrielle Anwendungen<br />
gezielt anzugehen.<br />
Die Forschungs- <strong>und</strong> Entwicklungsarbeiten<br />
gliedern sich hierbei in drei<br />
Forschungsbereiche:<br />
§ Fluidsystemdynamik <strong>und</strong><br />
Strömungsakustik<br />
§ Hochdruck-, Pumpen- <strong>und</strong><br />
Verfahrenstechnik<br />
§ Chemische <strong>und</strong> Biologische<br />
Prozesstechnik<br />
Dabei gibt es eine sehr intensive<br />
fachübergreifende Zusammenarbeit<br />
zwischen den einzelnen Bereichen.<br />
Synergien zwischen den Arbeitsgebieten<br />
werden effektiv genutzt, um<br />
einen hohen wissenschaftlichen Ent-<br />
wicklungsstand zu erreichen. Es ex-<br />
istieren spezielle Versuchseinrichtungen<br />
<strong>und</strong> spezifisch ausgerichtete<br />
Labors, die es dem <strong>Lehrstuhl</strong> erlauben,<br />
Forschungsschwerpunkte zu<br />
setzen. Zu diesen Kernkompetenzen<br />
gehören die Hochdrucktechnologie<br />
in der biologischen <strong>und</strong> chemischen<br />
Verfahrenstechnik, die Anwendung<br />
ionischer Flüssigkeiten, Fragen der<br />
Auslegung von <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
sowie Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkungen<br />
in komplexen Fluidsystemen.<br />
Ein Teil der Forschungsstrategie<br />
des <strong>Lehrstuhl</strong>s ist es, die<br />
Entwicklung von Produkten <strong>und</strong><br />
Anlagen über den Labormaßstab hi-<br />
naus bis in die industrielle Anwendung<br />
voranzutreiben.<br />
Bei der Konzeption der experimentellen<br />
Versuchsanlagen wurde auf<br />
eine hohe Flexibilität mit einer möglichst<br />
weiten Anwendungsbreite der<br />
Untersuchungen <strong>und</strong> auf eine umfassende<br />
Instrumentierung besonderen<br />
Wert gelegt. Viele Versuchsstände<br />
wurden speziell <strong>für</strong> die Durchführung<br />
von Aufträgen aus der Industrie erstellt<br />
<strong>und</strong> optimiert <strong>und</strong> <strong>für</strong> umfassende<br />
Untersuchungen eingesetzt. Die<br />
Auslegung solcher Versuchsstände<br />
gehört zu den Aufgaben, die der<br />
<strong>Lehrstuhl</strong> übernimmt <strong>und</strong> durchführt.<br />
Hinsichtlich der Instrumentierung<br />
werden moderne Druck-, Schwingungs-<br />
<strong>und</strong> Akustikmessverfahren<br />
(einschließlich weiterer physikalischer<br />
Größen wie Kraft, Weg, Drehzahl<br />
etc.) eingesetzt. Analysen des<br />
Strömungsfeldes, teilweise in Kombination<br />
mit den Strukturschwingungen,<br />
erfolgen durch den Einsatz<br />
<strong>und</strong> die Weitentwicklung geeigneter<br />
Lasermesstechniken. Strömungsvi-<br />
sualisierungen werden mit der An-<br />
wendung von digitalen Bildverarbeitungsalgorithmen<br />
aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmendurchgeführt.<br />
Für die Untersuchungen von<br />
Oberflächenstrukturen stehen hochauflösendeRasterelektronenmikroskope<br />
zur Verfügung.<br />
Mit der Verfügbarkeit großer Rechenleistungen<br />
hat sich der Lehr-<br />
stuhl neue Arbeitsgebiete in der Mo-<br />
dellierung <strong>und</strong> Simulation fluiddynamischer<br />
Prozesse einschließlich der<br />
Kopplung zur Strukturmechanik <strong>und</strong><br />
der Akustik erschlossen. Dazu steht<br />
den Mitarbeitern ein modernes <strong>und</strong><br />
leistungsfähiges PC-Netzwerk zur<br />
Verfügung. Es besteht eine enge An-<br />
bindung an das Hochleistungsrechenzentrum<br />
der Universität. Für die<br />
Berechnungen werden kommerzielle
Life<br />
Science<br />
Ionische<br />
Flüssigkeiten<br />
Bauteilermüdung<br />
Hochdruckprozesse<br />
Chemische <strong>und</strong><br />
Biologische<br />
Prozesstechnik<br />
Tribologie<br />
Pumpen <strong>und</strong><br />
Apparate<br />
Hochdruck-,<br />
Pumpen- <strong>und</strong><br />
Verfahrenstechnik<br />
Modellierung<br />
<strong>und</strong><br />
Simulation<br />
Störungsfrüherkennung<br />
Schwingungsanalyse<br />
Fluidsystemdynamik<br />
<strong>und</strong><br />
Strömungsakustik<br />
Klima-<br />
<strong>und</strong> Kühlungssysteme<br />
Turbo-<br />
maschinen<br />
Fluid-Struktur-<br />
Akustik-<br />
Interaktion<br />
Simulationsprogramme benutzt, <strong>und</strong><br />
auch eigene numerische Algorithmen<br />
<strong>für</strong> das Gebiet der Strömungsakustik<br />
weiterentwickelt.<br />
Der <strong>Lehrstuhl</strong> besitzt enge Forschungskooperationen<br />
zu nationalen<br />
<strong>und</strong> internationalen Forschungsinstituten.<br />
Diese betreffen Forschungseinrichtungen<br />
innerhalb der Europäischen<br />
Union aber auch Institute in<br />
Übersee. Er ist engagiertes Mitglied in<br />
verschiedenen nationalen <strong>und</strong> inter-<br />
nationalen Forschungsgesellschaften<br />
<strong>und</strong> Industrieverbänden.<br />
Ein direkter Technologie- <strong>und</strong> Wissenstransfer<br />
vom iPAT zur Industrie<br />
erfolgt im Rahmen von Forschungs-<br />
<strong>und</strong> Entwicklungsaufträgen mit ver-<br />
schiedenen Firmen im Bereich der<br />
chemischen <strong>und</strong> bioverfahrenstechnischen<br />
Industrie <strong>und</strong> dem Maschinenbau.<br />
Um in einer kurzen Zeit realisierbare<br />
Lösungen <strong>und</strong> Produkte<br />
<strong>für</strong> die Industrie umzusetzen, werden<br />
Unternehmen aus dem <strong>Lehrstuhl</strong><br />
ausgegründet. So entstand die<br />
Firma Agrolytix, die ein neuartiges<br />
biologisches Pflanzenschutzmittel<br />
mit Hilfe eines Verfahrens zur Virenverkapselung<br />
entwickelt hat.<br />
7
8<br />
LEHRSTUHL FÜR<br />
PROZESSMASCHINEN UND<br />
ANLAGENTECHNIK<br />
Lehre<br />
Technisches Zeichnen<br />
Der Kurs lehrt die Darstellung <strong>und</strong><br />
normgerechte Ausführung von Kon-<br />
struktionszeichnungen. Neben Gr<strong>und</strong>-<br />
kenntnissen des Zeichnens (z.B. Darstellungs-<br />
<strong>und</strong> Bemaßungsregeln,<br />
Toleranzen) <strong>und</strong> der Darstellung von<br />
Maschinenelementen werden Themenbereiche<br />
wie die zeichnerische<br />
Darstellung von Rohrleitungssystemen<br />
<strong>und</strong> Fließbildern sowie eine Einführung<br />
in CAD behandelt.<br />
Konstruktionslehre<br />
Die Lehrveranstaltung vermittelt einen<br />
Überblick über wichtige Konstruktionselemente<br />
<strong>und</strong> Berechnungsverfahren<br />
<strong>für</strong> Normteile <strong>und</strong> Maschinenelemente.<br />
Nach einer Einführung in<br />
die Gr<strong>und</strong>lagen des Festigkeitsnachweises<br />
sind die Themen nichtlösbare<br />
<strong>und</strong> lösbare Verbindungselemente,<br />
Welle-Nabe-Verbindungen, Dimensionierung<br />
von Achsen <strong>und</strong> Wellen<br />
oder Gleit- <strong>und</strong> Wälzlager Inhalte der<br />
Vorlesung.<br />
Technisches<br />
Zeichnen<br />
Konstruktionslehre<br />
Konstruktionslehre <strong>für</strong> die Prozesstechnik<br />
Die Lehrveranstaltung führt in die<br />
prozessgerechte Konstruktion <strong>und</strong> in<br />
die Festigkeitslehre <strong>und</strong> Gestaltung<br />
von Apparaten ein. Abgedeckt werden<br />
Themen wie werkstoff- bzw. hygienegerechte<br />
sowie verschleißabwehrende<br />
Konstruktion, Einsatz von<br />
Sonderwerkstoffen sowie die Auslegung<br />
von Apparateelementen. In den<br />
zugehörigen Übungen erarbeiten die<br />
Studierenden die Lösungen mit modernen<br />
CAD-Systemen.<br />
<strong>Prozessmaschinen</strong> <strong>und</strong> Apparatetechnik<br />
(Kernfach)<br />
Das Kernfach hat die Auswahl, Auslegung,<br />
Gestaltung <strong>und</strong> den Betrieb<br />
spezieller Gruppen von Apparaten<br />
<strong>und</strong> Chemiemaschinen zum Inhalt.<br />
Behandelt werden Dosierung von<br />
Stoffkomponenten, Fördern von Flüs-<br />
sigkeiten <strong>und</strong> Gasen, Apparate zur<br />
Wärmeübertragung sowie Rohrleitungen<br />
<strong>und</strong> Armaturen.<br />
Konstruktionslehre <strong>für</strong><br />
die Prozesstechnik<br />
<strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Apparatetechnik<br />
<strong>Prozessmaschinen</strong> <strong>und</strong> Apparatetechnik<br />
(Vertiefungsfach)<br />
Die Vertiefung behandelt die wichtigsten<br />
Transportsysteme <strong>für</strong> Flüssigkeiten<br />
(Pumpen) <strong>und</strong> Gase (Verdichter).<br />
Ausführlich werden konstruktive<br />
Gestaltung <strong>und</strong> Betriebseigenschaften<br />
dargestellt. Weitere Gebiete sind<br />
Apparate zur thermischen Stofftrennung<br />
sowie Aspekte der Anlagentechnik.<br />
Anlagenprojektierung<br />
Hier steht die Projektierung von<br />
verfahrenstechnischen Gesamtanla-<br />
gen unter den Gesichtspunkten von<br />
fächerübergreifender Planung <strong>und</strong><br />
Wirtschaftlichkeit im Fokus. Die Inhal-<br />
te reichen von Planung über Kosten-<br />
<strong>und</strong> Energieaspekte, Aufstellungspla-<br />
nung, elektrische Ausrüstung bis hin<br />
zum Beschaffungswesen, Transport<br />
<strong>und</strong> Montage.<br />
Anlagenprojektierung
Der <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> Prozessmaschi-<br />
nen <strong>und</strong> Anlagentechnik ist als<br />
einer der 10 Lehrstühle des Chemie-<br />
<strong>und</strong> Bioingenieurwesens an<br />
der Ausbildung in den Studien-<br />
gängen Chemie- <strong>und</strong> Bioingenieur-<br />
wesen, Life-Science-Engineering,<br />
Energietechnik, Maschinenbau,<br />
Computational Engineering <strong>und</strong><br />
Nachhaltige Chemische Technologie<br />
beteiligt.<br />
Dabei vertritt er die Fächer Technisches<br />
Zeichnen, Messtechnik<br />
<strong>und</strong> Konstruktionslehre zu Beginn<br />
des Studiums sowie die<br />
Fächer <strong>Prozessmaschinen</strong> <strong>und</strong><br />
Apparatetechnik, Konstruktionslehre,<br />
Anlagenprojektierung, Turbomaschinen,<br />
Maschinenakustik<br />
sowie Managementpraxis in den<br />
höheren Semestern.<br />
Managementpraxis <strong>für</strong> Ingenieure<br />
Die Vorlesung liefert einen Überblick<br />
über das gesamte Gebiet des<br />
Managements. Die Inhalte umfassen<br />
u.a. Moderation, Präsentation, Kreati-<br />
vitätsmethoden, Projektmanagement,<br />
betriebswirtschaftliche Gr<strong>und</strong>lagen,<br />
Personalführung, Marketing <strong>und</strong> Busi-<br />
nessplan. Gastdozenten aus der Industrie<br />
bringen Berufserfahrung <strong>und</strong><br />
aktuelle Praxisbeispiele ein.<br />
Messtechnik <strong>und</strong> Instrumentelle<br />
Analytik<br />
In der Lehrveranstaltung stehen die<br />
gr<strong>und</strong>legenden Prinzipien <strong>und</strong> physikalischen<br />
Gr<strong>und</strong>lagen verschiedener<br />
Messverfahren im Vordergr<strong>und</strong>.<br />
Neben Prozessmesstechnik, Analyseverfahren<br />
<strong>und</strong> digitaler Datenaufbereitung<br />
lernen die Studenten auch<br />
statistische Methoden zur Datenauswertung<br />
kennen <strong>und</strong> können somit<br />
<strong>für</strong> den jeweiligen Anwendungsfall<br />
geeignete Messtechniken einsetzen.<br />
Turbomaschinen<br />
Inhalt des Lehrfaches sind die strömungsmechanischen<br />
Gr<strong>und</strong>lagen der<br />
Turbomaschinen. Es werden neben<br />
dem Aufbau <strong>und</strong> der Wirkungsweise<br />
der Gr<strong>und</strong>gleichungen die Ähnlichkeitskennzahlen<br />
<strong>und</strong> das Betriebsverhalten<br />
von Turbomaschinen <strong>und</strong><br />
Bauteilen behandelt. Die Vorlesung<br />
vermittelt damit den Studenten die<br />
Gr<strong>und</strong>lagen, mit denen es möglich<br />
ist, spezielle Arten von Turbomaschinen<br />
zu entwerfen <strong>und</strong> zu konstruieren.<br />
Maschinenakustik<br />
Die Vorlesung befasst sich mit den<br />
akustischen Problemen im Zusammenhang<br />
mit Maschinen <strong>und</strong> Anlagen.<br />
Es werden umfassend die<br />
Mechanismen der mechanisch <strong>und</strong><br />
strömungsinduzierten Geräuschentstehung<br />
aufgezeigt, sowohl die theoretischen<br />
Gr<strong>und</strong>lagen als auch die<br />
praktischen Berechnungsmöglichkei-<br />
ten bis hin zu den Gestaltungsprinzipien<br />
lärmarmer Maschinen <strong>und</strong> Anlagen.<br />
Praktika <strong>und</strong> Exkursionen<br />
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der<br />
Lehre sind Praktika in den Kernvorlesungen<br />
sowie Exkursionen mit den<br />
Studierenden zu Industriefirmen <strong>und</strong><br />
Messeveranstaltungen (z.B. Achema).<br />
9
10<br />
FACHBEREICH<br />
FLUIDSYSTEMDYNAMIK UND<br />
STRÖMUNGSAKUSTIK<br />
Forschungsziele<br />
Im Vordergr<strong>und</strong> der Forschungsaufgaben<br />
in der Gruppe Fluidsystemdynamik<br />
<strong>und</strong> Strömungsakustik stehen<br />
Untersuchungen in Strömungsanlagen<br />
<strong>und</strong> -maschinen. Es werden die<br />
strömungsmechanischen Prozesse<br />
in ihrer komplexen Wechselwirkung<br />
mit der Strukturmechanik, dem Wärmeübergang<br />
<strong>und</strong> der Akustik behandelt.<br />
Hohe Priorität hat eine Synthese<br />
von Gr<strong>und</strong>lagenforschung <strong>und</strong><br />
Industrieentwicklungen. In der Bearbeitung<br />
der Forschungsthemen wird<br />
ein komplementärer Ansatz gewählt,<br />
der experimentelle, numerische <strong>und</strong><br />
analytische Arbeiten sinnvoll miteinander<br />
koppelt. Die Anwendungen liegen<br />
schwerpunktmäßig im Bereich<br />
der Turbomaschinen, der Lüftungs-<br />
<strong>und</strong> Klimaanlagen, der Rohrleitungssysteme<br />
sowie der Abgasanlagen.<br />
Fluidsystemdynamik<br />
Jede Pumpe <strong>und</strong> jede Turbine sind<br />
potentielle Erreger <strong>für</strong> Druckpul-<br />
sationen, Systemschwingungen <strong>und</strong><br />
akustische Effekte. Alle diese Erscheinungen<br />
sind nicht lineare Vor-<br />
gänge mit erheblichem Schadens- <strong>und</strong><br />
Störungspotential, vielfach verb<strong>und</strong>en<br />
mit Energieverlusten <strong>und</strong> störenden<br />
Einflüssen auf die Produktqualität<br />
oder Systemfunktionalität. Es können<br />
u.a. Laufradeigenschwingungen entstehen,<br />
die oft Lagerschäden nach<br />
sich ziehen. Manchmal vibrieren kom-<br />
plette Rohrleitungsabschnitte derart,<br />
dass Dauerbrüche der Rohre <strong>und</strong><br />
massive Lärmbelästigungen die Folge<br />
sind. Dies kann bis zum Ausfall<br />
der Maschine, der Anlage bzw. einzelner<br />
Anlagenkomponenten führen.<br />
Analoge Phänomene lassen sich<br />
hierbei in Flüssigkeits- <strong>und</strong> ebenso<br />
in Gassystemen beobachten. Physikalisch<br />
gesehen ist in Gassystemen<br />
die Schallgeschwindigkeit kleiner,<br />
das Gas deutlich kompressibler <strong>und</strong><br />
die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen<br />
sind aufgr<strong>und</strong> höherer<br />
Reynoldszahlen wesentlich größer.<br />
Daraus können sich vielfältige<br />
Strömungskontrolle der Nachlaufströmung<br />
an Fahrzeugmodellen zur<br />
Optimierung von Widerstand <strong>und</strong><br />
Auftrieb mittels Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen<br />
(links) <strong>und</strong><br />
Öl-Ruß-Anstrichverfahren (rechts)<br />
Anregungs- <strong>und</strong> Rückkopplungsmechanismen<br />
im Gesamtsystem ergeben.<br />
Viele der physikalischen Prozesse<br />
sind in ihrer gesamten Komplexität<br />
noch nicht befriedigend geklärt. Daher<br />
liegt ein Schwerpunkt bisheriger<br />
<strong>und</strong> zukünftiger Forschungen der<br />
Gruppe darin, derartige fluidsystem-<br />
dynamische Eigenschaften in Gr<strong>und</strong>-<br />
lagenexperimenten <strong>und</strong> in ihrer Über-<br />
tragung auf die technischen Anwendungen<br />
zu studieren.<br />
Strömungsakustik<br />
Immer stärker in den Fokus rückt<br />
ebenfalls die Strömungsakustik. Für<br />
viele Lebens- <strong>und</strong> Arbeitsprozesse<br />
werden Maschinen benötigt, die in<br />
hohem Maße Geräusche emittieren.<br />
Diese weisen zum Teil Schalldruckpegel<br />
oberhalb der Gefährdungsgrenze<br />
oder gar der Schmerzgrenze<br />
des menschlichen Gehörs auf.<br />
Selbst Schallpegel im mittleren Be-
Rohrleitungsprüfstand zu Untersuchung von Druckstößen,<br />
Druckpulsationen <strong>und</strong> strömungsinduzierten Rohrleitungsschwingungen<br />
Untersuchung der menschlichen Phonation in einem künstlichen<br />
Stimmlippenkanal<br />
Laseroptische Geschwindigkeits- <strong>und</strong> Schallmessungen im<br />
Akustikwindkanal<br />
Arbeitsgruppe Fluidsystemdynamik <strong>und</strong><br />
Strömungsakustik<br />
reich haben oft vegetative Reaktionen,<br />
Störungen des Schlafes, der<br />
Kommunikation, der Konzentrationsfähigkeit<br />
u. ä. zur Folge.<br />
Typische Lärmquellen hier<strong>für</strong> sind<br />
vor allem Transportmittel, wie Kraftfahrzeuge,<br />
Flugzeuge <strong>und</strong> Schienenfahrzeuge<br />
sowie Kühlungsanlagen<br />
von elektrischen/elektronischen<br />
Geräten oder auch alle Pumpen <strong>und</strong><br />
Ventilatoren. Bei all diesen Geräten<br />
<strong>und</strong> Anlagen besitzt der strömungsinduzierte<br />
Schall einen dominierenden<br />
Einfluss. Dabei steht oft nicht<br />
das einzelne Bauteil im Vordergr<strong>und</strong>,<br />
sondern es muss die gesamte Dynamik<br />
des Fluidsystems betrachtet<br />
werden.<br />
Die Forschungsgruppe widmet sich<br />
hier in umfassender Weise allen<br />
methodischen Bereichen der Strömungsakustik,<br />
also sowohl der Gr<strong>und</strong>-<br />
lagenforschung als auch der angewandten<br />
Forschung, der praktischen<br />
Umsetzung <strong>und</strong> im Ergebnis dem<br />
leisen Strömungsvorgang, der leisen<br />
Strömungsmaschine, der leisen<br />
Strömungsanlage.<br />
11
12<br />
FACHBEREICH<br />
FLUIDSYSTEMDYNAMIK UND<br />
STRÖMUNGSAKUSTIK<br />
Maschinenakustik<br />
Turbomaschinen<br />
Der Einsatz von rotierenden Maschinen<br />
zur Luftbewegung (Ventilatoren<br />
<strong>und</strong> Gebläse) umfasst eine sehr große<br />
Anwendungsvielfalt. Das Einsatzspektrum<br />
reicht von Tunnellüftungen<br />
über Staubsaugergebläse bis hin zu<br />
Kühlventilatoren in PCs. Immer wieder<br />
kommt es dabei zur Geräuschbelästigung,<br />
die unangenehm ist, aber<br />
auch z.T. schädigenden Einfluss auf<br />
das Gehör <strong>und</strong> die Ges<strong>und</strong>heit der<br />
Menschen hat.<br />
Zur Charakterisierung der Geräuschquellen<br />
reicht es nicht aus, nur die<br />
Schallabstrahlung nach dem Schallleistungspegel<br />
zu bewerten. Ebenso<br />
wichtig ist es, <strong>für</strong> die Schallquellen in<br />
den rotierenden Fluidsystemen das<br />
spektrale Verhalten der Schallemission<br />
zu analysieren <strong>und</strong> anhand psy-<br />
choakustischer Gesetzmäßigkeiten zu<br />
beurteilen.<br />
Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten<br />
am <strong>Lehrstuhl</strong> liegt auf Radial-<br />
<strong>und</strong> Seitenkanalgebläsen. So lässt<br />
sich beispielsweise an Radialventilatoren<br />
beobachten, dass eine hohe<br />
hydraulische Effizienz nicht zwangsläufig<br />
zu einer geringen Schallabstrahlung<br />
der Maschine führt. Effizienz<br />
<strong>und</strong> geringe Schallabstrahlung<br />
bilden häufig parallele Optimierungsziele.<br />
Damit haben Hersteller von der-<br />
artigen Gebläsen das Problem, einen<br />
Kompromiss zwischen den strömungs-<br />
mechanischen Anforderungen <strong>und</strong><br />
den Erfordernissen einer geräuscharmen<br />
Arbeitsumgebung zu finden.<br />
Die Entwicklungsarbeiten der Forschergruppe<br />
reichen hier von der<br />
strömungsmechanischen Auslegung<br />
der Turbomaschine, der Simulation<br />
über die Konstruktion bis zu den experimentellen<br />
Untersuchungen am<br />
Laufrad. Neben dem Laufraddesign<br />
spielen dabei gerade hinsichtlich der<br />
Druckverteilung am Laufrad in einem<br />
Trommelläufer im eingebauten Lüftungssystem<br />
Strömung in einem Radiallaufrad<br />
Schallgenerierung Rotor-Diffusor-Interaktionen<br />
sowie die Fluid-Struktur-<br />
Wechselwirkungen mit dem Gehäuse<br />
eine wichtige Rolle.<br />
Lüftungs- <strong>und</strong> Klimaanlagen<br />
In der Realisierung einer effizienten,<br />
geräuscharmen Kühlung liegt eine<br />
der großen Herausforderungen bei<br />
der Entwicklung elektrischer <strong>und</strong><br />
elektronischer Geräte. In den letzten<br />
Jahren kam es hier zu großen<br />
Steigerungen der Prozessorleistung<br />
<strong>und</strong> der Packungsdichte der elektronischen<br />
Bauelemente. Dies führte zu<br />
einer enorm gestiegenen Wärmeentwicklung<br />
der Bauteile <strong>und</strong> Baugruppen,<br />
die wiederum direkt verb<strong>und</strong>en<br />
ist mit erhöhten Anforderungen an<br />
das Kühlsystem, um die Funktionsfähigkeit<br />
des Systems zu erhalten.<br />
Aufgr<strong>und</strong> einer Vielzahl von industriellen<br />
Entwicklungsaufgaben konnte
Simulation der Druckverteilung im Motorkühlungssystem<br />
Windschutzscheibe<br />
Fahrgastinnenraum<br />
Geschwindigkeitsverteilung der Luftströmung hinter der Fahr-<br />
zeugfrontscheibe am Austritt aus einer PKW-Klimaanlage<br />
Aeroakustische Untersuchungen an einer vereinfachten PKW-<br />
Klimaanlage<br />
Schallmessungen an einem Seitenkanalgebläse<br />
sich der Bereich hier eine Kompetenz<br />
erarbeiten, die es ihm ermöglicht,<br />
die Wärmeübergangsprozesse<br />
zu optimieren, aber auch deren Auswirkungen<br />
auf die Geräuschentstehung<br />
zu analysieren. In der Methodik<br />
<strong>für</strong> die Untersuchungen werden komplementär<br />
numerische <strong>und</strong> experimentelle<br />
Verfahren eingesetzt.<br />
Ziel der Arbeiten ist es, den Firmen<br />
bessere Verfahren <strong>und</strong> Methoden<br />
zur Verfügung zu stellen, die es ihnen<br />
ermöglichen, in praktischen An-<br />
wendungen <strong>für</strong> derzeitige <strong>und</strong> künftige<br />
Geräteentwicklungen die Geräuschbelästigungen<br />
der Geräte zu<br />
verringern. Dies bedeutet sowohl<br />
Senkungen des Geräuschpegels als<br />
auch Veränderungen der spektralen<br />
Verteilung des abgestrahlten Schalls<br />
vorzunehmen, die einen positiven<br />
Einfluss auf die akustische Wahrnehmung<br />
haben.<br />
13
14<br />
FACHBEREICH<br />
FLUIDSYSTEMDYNAMIK UND<br />
STRÖMUNGSAKUSTIK<br />
Modellierung <strong>und</strong> Simulation<br />
Strömungssimulation<br />
Die Anwendung <strong>und</strong> Weiterentwicklung<br />
von geeigneten Simulationswerkzeugen<br />
gehört zu den Kern-<br />
gebieten der Forschungsbereiche<br />
Fluidsystemdynamik <strong>und</strong> Strömungs-<br />
akustik. Vorrangig werden <strong>für</strong> die Strö-<br />
mungsberechnung Finite-Volumen-<br />
Verfahren eingesetzt. Es kommen<br />
hier kommerzielle Berechnungspro-<br />
gramme <strong>und</strong> nichtkommerzielle Pro-<br />
grammentwicklungen zur Anwen-<br />
dung. Für die Modellierung der<br />
überwiegend turbulenten Strömungen<br />
in den Simulationen werden alle<br />
FASTEST-3D<br />
Strömungsmechanik<br />
§ Finite-Volumen-Verfahren<br />
§ dreidimensionale,<br />
zeitabhängige Strömungs-<br />
simulationen (LES)<br />
Akustik<br />
§ Finite-Elemente-Verfahren<br />
§ vibrations-/strömungsinduzierter<br />
Schall<br />
drei heute üblichen Ansätze der Modellierung<br />
verwendet:<br />
§ Lösung der Reynolds-gemittelten<br />
Navier-Stokes-Gleichungen mit Turbulenzmodellen<br />
als Schließungs-<br />
ansatz (RANS),<br />
§ Lösung der gefilterten Navier-<br />
Stokes-Gleichungen mit Feinstruktur-Modellen<br />
(Large-Eddy-<br />
Simulation = LES),<br />
§ Lösung der vollständigen Navier-<br />
Stokes-Gleichungen ohne Turbulenzmodellierung<br />
(Direkte Nume-<br />
rische Simulation = DNS).<br />
MpCCI<br />
Kopplung<br />
§ konservative Interpolation<br />
der Strömungslasten<br />
§ bilineare Interpolation der<br />
Strukturverschiebung<br />
CFS++<br />
Strukturmechanik<br />
§ Finite-Elemente-Verfahren<br />
§ lineare/nichtlineare<br />
Strukturmechanik<br />
Schematische Darstellung der entwickelten Programmlandschaft zur Berechnung von<br />
Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkungen<br />
Zum Einsatz effizienter Lösungsalgorithmen<br />
gehört als weiterer Schwerpunkt<br />
die geeignete Implementierung<br />
der Berechnungsverfahren auf<br />
Hoch- <strong>und</strong> Höchstleistungsrechnern.<br />
Dies sind zum einen massiv-parallele<br />
Rechnersysteme, bestehend aus<br />
einer großen Anzahl vergleichsweise<br />
schwacher Prozessoren, <strong>und</strong> zum<br />
anderen moderat-parallele Systeme<br />
mit sehr leistungsfähigen Einzelprozessoren.<br />
Hier arbeitet der Bereich<br />
mit dem Hochleistungsrechenzentrum<br />
der Universität zusammen.<br />
Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion<br />
In enger Kooperation mit dem <strong>Lehrstuhl</strong><br />
<strong>für</strong> Sensorik der Universität<br />
Erlangen-Nürnberg (LSE) konnte ein<br />
gemeinsames hybrides Programmpaket<br />
geschaffen werden, das es<br />
ermöglicht, auf der Basis von Strömungssimulationen<br />
die akustische<br />
Schallabstrahlung in das Nah- <strong>und</strong><br />
Fernfeld zu berechnen. Für die verschiedenen<br />
physikalischen Bereiche<br />
werden unterschiedliche Programme<br />
verwendet, die auf die jeweiligen<br />
physikalischen Anforderungen hin<br />
optimiert sind <strong>und</strong> über Schnittstellen<br />
miteinander kommunizieren.<br />
Die Strömung kann zum einen mit<br />
der kommerziellen Software <strong>und</strong> zum<br />
anderen mit dem Code FASTEST3D<br />
simuliert werden. Für die Berechnung<br />
der akustischen Schallausbreitung<br />
kommt ein Ffowcs-Williams <strong>und</strong><br />
Hawkings Integralverfahren sowie ei-
strömungsinduzierte akustische Quellterme<br />
strömungsinduzierte akustische Quellterme<br />
Schalldruck im Akustikfeld<br />
Schalldruck im Akustikfeld<br />
Schallabstrahlung bei der Überströmung einer rückwärtsspringenden<br />
Stufe<br />
Räumliches Schallfeld bei der Umströmung eines wandgeb<strong>und</strong>enen<br />
Zylinders<br />
Spektren der Schalldruckverteilung <strong>für</strong> die strömungs- <strong>und</strong><br />
strukturinduzierten Schallanteile <strong>und</strong> den Gesamtschall bei der<br />
Überströmung einer flexiblen Plattenstruktur<br />
Strömungsinduzierte Strukturverformungen bei der<br />
Überströmung einer flexiblen Plattenstruktur<br />
Simulation der Wirbelstrukturen in der<br />
Strömung über einer flexiblen Plattenstruktur<br />
ne Finite-Elemente-Formulierung der<br />
inhomogenen Wellengleichung nach<br />
der Lighthill-Analogie mittels des am<br />
LSE entwickelten Programms CFS++<br />
zum Einsatz. Die Übertragung der<br />
akustischen Quellen aus dem Strömungsgitter<br />
auf das im Allgemeinen<br />
gröbere akustische Gitter erfolgt<br />
durch ein eigens entwickeltes konservatives<br />
Interpolationsverfahren.<br />
Eine große Herausforderung besteht<br />
in der Behandlung der Fluid-<br />
Struktur-Akustik-Interaktion <strong>und</strong> somit<br />
der Einbeziehung von bewegten<br />
mechanischen Strukturen <strong>und</strong> deren<br />
Interaktion mit dem Strömungsfeld.<br />
Das eigene Programmpaket konnte<br />
hier<strong>für</strong> erweitert werden, womit Simu-<br />
lationen des Strömungsschalls <strong>und</strong><br />
des strukturinduzierten Vibrationsschalls<br />
<strong>und</strong> deren Gewichtung im<br />
Akustikfeld durchführbar sind. Es<br />
kann somit eine Trennung von strö-<br />
mungsinduzierten <strong>und</strong> vibrationsinduzierten<br />
Schallanteilen erfolgen. Die-<br />
se Fragestellungen der Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion<br />
gehören heute<br />
zum Kerngebiet der interdisziplinären<br />
Forschergruppe mit dem <strong>Lehrstuhl</strong><br />
<strong>für</strong> Sensorik der Universität<br />
Erlangen.<br />
15
16<br />
FACHBEREICH<br />
HOCHDRUCK-, PUMPEN- UND<br />
VERFAHRENSTECHNIK<br />
Forschungsziele<br />
In der Gruppe Hochdruck-, Pumpen-<br />
<strong>und</strong> Verfahrenstechnik stehen<br />
die funktionstechnische <strong>und</strong> energe-<br />
tische Optimierung <strong>und</strong> Neuentwicklung<br />
von Maschinen, Pumpen, Kompressoren,<br />
Apparaten <strong>und</strong> Prozessen<br />
sowie die Entwicklung von Anlagen<br />
mit optimierter Prozessführung, wirkungsvoller<br />
Störungsfrüherkennung<br />
<strong>und</strong> Energieeffizienz im Fokus der<br />
Forschung. Dies bedeutet die Erarbeitung<br />
der <strong>für</strong> die jeweiligen Projekte<br />
relevanten strömungstechnischen,<br />
fluidakustischen, verschleißtechnischen,<br />
ermüdungstechnischen <strong>und</strong><br />
thermischen Effekte. Zu deren Erfassung<br />
werden die Maschinen <strong>und</strong><br />
Anlagen messtechnisch hochfrequent<br />
<strong>und</strong> vielfach auch nicht invasiv<br />
abgetastet, mit Hochgeschwindigkeitskameras<br />
oder anderen optischen<br />
Analysemethoden ausgestattet<br />
oder analysiert <strong>und</strong> parallel dazu<br />
simuliert. Durch diese Kombination<br />
gelingt es, die komplexen Vorgänge<br />
in <strong>Prozessmaschinen</strong>, Apparaten <strong>und</strong><br />
Anlagen zu verstehen <strong>und</strong> wesentliche<br />
technische Fortschritte daraus<br />
zu generieren.<br />
Pumpentechnik<br />
Im Zentrum des Interesses hier<strong>für</strong><br />
steht die Anwendung von Pumpen<br />
<strong>für</strong> extreme oder spezielle Prozesse,<br />
unter herausfordernden Randbedingungen<br />
oder als Teil komplexer Systeme.<br />
Diese Forschung betrifft daher<br />
nahezu alle Teile der chemischen,<br />
petrochemischen, biologischen <strong>und</strong><br />
pharmazeutischen Prozesstechnik<br />
<strong>und</strong> alle denkbaren Fluide wie abrasive,<br />
aggressive, toxische, hochviskose<br />
oder leicht verdampfende.<br />
Für alle Anwendungen, auch unter<br />
störenden Einflüssen – wie Kavitation<br />
oder Pulsation – wollen wir ein<br />
Höchstmaß an Zuverlässigkeit, Leistungsdichte,<br />
Wirtschaftlichkeit <strong>und</strong><br />
damit niedrige Lebenszykluskosten<br />
erreichen. Darauf aufbauend möchten<br />
wir da<strong>für</strong> sorgen, dass nur noch<br />
energetisch hoch wirksame Pumpen<br />
in Prozessen eingesetzt werden. Aus<br />
diesem Gr<strong>und</strong> ist auch die Steigerung<br />
der Energieeffizienz ein gr<strong>und</strong>sätzliches<br />
Thema, das auch in der<br />
auf hohe Effizienz angewiesenen<br />
Hochdrucktechnik von zentraler Bedeutung<br />
ist.<br />
Hochdruckprozesstechnik<br />
In fast jedem Bereich des täglichen<br />
Lebens finden sich Produkte,<br />
die ohne Hochdruckprozesse nicht<br />
existent wären oder nicht so effizient<br />
wirken oder arbeiten würden.<br />
Beispiele hier<strong>für</strong> sind verschiedene<br />
Kunststoffe, Geschmacks- <strong>und</strong><br />
Geruchsstoffe <strong>für</strong> Lebensmittel <strong>und</strong><br />
Kosmetika oder auch die Common-<br />
Schnittdarstellung einer Hochdrucksichtzelle <strong>für</strong> 200 MPa <strong>und</strong> 650°C FEM-Analyse von Betriebsspannungen<br />
in einem Hochdruckreaktor
FEM-Simulation einer C-Ring-Dichtung<br />
bei 300 MPa <strong>und</strong> 600°C<br />
Versuchsanlage zur Untersuchung von Mehrphasenpumpen<br />
Arbeitsgruppe Hochdruck-, Pumpen<strong>und</strong><br />
Verfahrenstechnik<br />
Rail-Technik in Kraftfahrzeugen. Wir<br />
optimieren die da<strong>für</strong> nötigen Prozesse<br />
<strong>und</strong> suchen mit dem gewonnenen<br />
Wissen nach neuen Wegen. Dies gilt<br />
auch <strong>für</strong> den wichtigen Bereich der<br />
überkritischen Fluide, die durch ihre<br />
vorteilhaften Eigenschaften neue<br />
Prozesse <strong>und</strong> Produktgestaltungsmöglichkeiten<br />
ermöglichen. Als Bei-<br />
spiele seien maßgeschneiderte Partikel<br />
oder Kristalle sowie die effiziente<br />
Gewinnung von Naturstoffen<br />
genannt. In Kombination mit unserer<br />
Kompetenz <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Apparate werden damit neue<br />
Anwendungen <strong>und</strong> neue Verfahrensschritte<br />
möglich.<br />
Verfahrenstechnik<br />
Ziel ist die Entwicklung des Verständnisses<br />
<strong>für</strong> die komplexen Vorgänge in<br />
industriellen verfahrenstechnischen<br />
Prozessen. Dieses wichtige Zukunfts-<br />
thema verspricht neue Erkenntnisse<br />
<strong>und</strong> Optimierungsansätze. So führ-<br />
ten beispielsweise die Entwicklungen<br />
neuer Anlagenkonzepte, die Auf-<br />
bau, Handhabung, Funktionalität <strong>und</strong><br />
Automatisierung nach funktionstechnischen<br />
<strong>und</strong> ergonomischen Gesichtspunkten<br />
ausrichten <strong>und</strong> so die<br />
Prozessgestaltung <strong>und</strong> die Mensch-<br />
Maschine-Schnittstelle optimieren,<br />
zu einer merklichen Steigerung der<br />
Effizienz <strong>und</strong> Nachhaltigkeit. Darüber<br />
hinaus ist die Dynamik in Anlagen<br />
<strong>und</strong> ihre Wirkung auf Reaktion,<br />
Umsatz, Selektivität <strong>und</strong> Effizienz<br />
noch weitgehend unerforscht.<br />
17
18<br />
FACHBEREICH<br />
HOCHDRUCK-, PUMPEN- UND<br />
VERFAHRENSTECHNIK<br />
Hochdruckprozesse <strong>und</strong> Pumpensysteme<br />
Ammonothermal-Synthese<br />
Im Bereich der Halbleiter-Bauelementetechnologie<br />
besteht besonders<br />
in den Bereichen Festkörperbeleuchtung<br />
<strong>und</strong> Leistungstransistoren ein<br />
stetig wachsender Bedarf an hoch-<br />
reinem, einkristallinem Galliumnitrid.<br />
Die Ammonothermal-Synthese ist ein<br />
potentiell geeignetes Verfahren, der-<br />
artige Massivkristalle großtechnisch<br />
herzustellen. Bisher ist der Vorgang<br />
der Kristallbildung aufgr<strong>und</strong> seiner<br />
extremen Bedingungen (bis ca.<br />
4000 bar <strong>und</strong> 650 °C) noch wenig erforscht.<br />
Durch die Entwicklung spezieller<br />
Hochdruckapparate, wie z.B. ei-<br />
ner Sichtzelle <strong>für</strong> 2000 bar bei 650 °C,<br />
können erstmals die Vorgänge im<br />
Inneren des Reaktors in-situ beobachtet<br />
werden. Diese Technologie<br />
ebnet auch den Weg zu vielen neuen<br />
Erkenntnissen in der Hochdruckreaktionstechnik.<br />
Common-Rail<br />
Seit der Einführung Ende der 1990er<br />
Jahre setzte sich das Common-Rail-<br />
System im Bereich der Diesel-Direkteinspritzung<br />
immer mehr durch.<br />
Modernste Motorenkonzepte zur<br />
Benzindirekteinspritzung greifen nun<br />
ebenfalls auf diese bewährte Technik<br />
zurück. Durch konstruktive Maßnahmen<br />
besteht die Möglichkeit, mit diesem<br />
Konzept die Abgasemissionen<br />
weiter entscheidend zu reduzieren.<br />
Ein Ansatz führt über eine Erhöhung<br />
des Systemdrucks im Dieselmotor<br />
auf 2500 bar, um die Kraftstofftropfengröße<br />
zu minimieren. Einherge-<br />
hend mit der Druckerhöhung ist eine<br />
notwendige höhere Dauerfestigkeit<br />
der Bauteile. Zur Untersuchung<br />
verfügt der <strong>Lehrstuhl</strong> über eine statische<br />
Hochdruckanlage bis 14000<br />
bar <strong>und</strong> einen Hochdruckpulser mit<br />
4000 bar maximalem Prüfdruck. Neben<br />
der Bauteiluntersuchung ist in<br />
Common-Rail-Systemen aber vor<br />
allem die Pulsation des Kraftstoffes<br />
im Leitungssystem, verursacht durch<br />
Öffnungs- <strong>und</strong> Schließprozesse der<br />
Injektoren, von Interesse. Je Motorumdrehung<br />
erfolgen aktuell bis zu<br />
fünf Einspritzungen, <strong>für</strong> die aufgr<strong>und</strong><br />
der Pulsation keine definierte Einspritzmenge<br />
zur Verfügung gestellt<br />
werden kann. Ziel ist es, durch konstruktive<br />
<strong>und</strong> dämpfende Maßnahmen<br />
die auftretende Pulsation zu minimieren,<br />
um einen gleichmäßigeren<br />
Einspritzvorgang zu gewährleisten.<br />
Rotierende Verdrängerpumpen<br />
Im Bereich der rotierenden Verdrängerpumpen<br />
liegen die Forschungsschwerpunkte<br />
in der Optimierung<br />
FEM-Analyse einer Exzenterschneckenpumpe<br />
(Dichtspalte)<br />
sogenannter Mehrphasenpumpen<br />
sowie die Bestimmung der Kennlinien<br />
<strong>und</strong> der dynamischen Eigenschaften<br />
verschiedenster Pumpentypen. Bevorzugte<br />
Mehrphasenpumpen sind<br />
Exzenterschnecken- <strong>und</strong> Schraubenspindelpumpen,<br />
die Fördergemische<br />
aus Flüssigkeiten, Feststoffen<br />
<strong>und</strong> Gasen gegen hohen Druck <strong>und</strong><br />
mit wenig Pulsation fördern können.<br />
Auch hier liefert der Einsatz von<br />
Hochgeschwindigkeitskameras, zeitsynchron<br />
gekoppelt mit der Messdatenerfassung,<br />
viele neue Erkenntnisse<br />
<strong>für</strong> zuverlässigere <strong>und</strong> effizientere<br />
Gestaltung.<br />
Oszillierende Verdrängerpumpen<br />
Die noch offenen Fragen bei oszillierenden<br />
Verdrängerpumpen betreffen<br />
die Ventiltechnik, die Schädlichkeit<br />
<strong>und</strong> Wirkung von Kavitation, die Ver-<br />
besserung der Dosiergenauigkeit,<br />
die Vermeidung oder Minimierung<br />
der Förderstrompulsationen <strong>und</strong> die<br />
Leistungssteigerung durch höhere<br />
Hubfrequenzen. Die Auslegung die-<br />
CFD-Simulation einer Ventildurchströmung<br />
mit Kavitation
Kavitationsuntersuchungen an einer oszillierenden Verdränger-<br />
pumpe im Arbeitsraum (oben) <strong>und</strong> am Saugventil (unten)<br />
Optimierung von Common-Rail-Systemen <strong>für</strong> Verbrennungsmotoren<br />
Versuchskopf einer oszillierenden Verdrängerpumpe<br />
ser <strong>für</strong> die Hochdruck- <strong>und</strong> Dosieranwendungen<br />
prädestinierten Pum-<br />
pentechnik erfolgt auch heute noch<br />
bevorzugt empirisch oder erfahrungsbasiert<br />
<strong>und</strong> stellt selbst <strong>für</strong><br />
Pumpenkonstrukteure noch immer<br />
eine Herausforderung dar. Der <strong>Lehrstuhl</strong><br />
widmet sich hier der ganzen<br />
Themenvielfalt. Die Hochgeschwindigkeitskameratechnik<br />
ist dabei ein<br />
äußerst hilfreiches Werkzeug. In<br />
Kombination mit Druckmessungen<br />
können damit alle Kavitationsphänomene<br />
im Arbeitsraum sowie an den<br />
Ventilen <strong>und</strong> die reale Ventilkinematik<br />
präzise erfasst <strong>und</strong> sichtbar gemacht<br />
werden. Ziel ist die Entwicklung von<br />
wirtschaftlichen Auslegungskriterien<br />
<strong>für</strong> höchste Zuverlässigkeit.<br />
Membranpumpen<br />
Ein großes Potential <strong>für</strong> die Optimierung<br />
von Membranpumpen besteht<br />
in der Anwendung <strong>und</strong> Kombination<br />
von numerischen FEM- <strong>und</strong> CFD-<br />
Methoden. Die damit mögliche Simulation<br />
der Fluid-Struktur-Wechselwirkung<br />
erlaubt die Ermittlung der<br />
realen Membranverformung unter<br />
dem Einfluss der Kolbenverdrängung<br />
<strong>und</strong> der Strömung im Arbeitsraum.<br />
Darauf aufbauend können<br />
optimale Membranformen gef<strong>und</strong>en<br />
<strong>und</strong> damit die Zuverlässigkeit dieser<br />
Pumpentechnik gesteigert werden.<br />
In logischer Konsequenz wird diese<br />
Methode auch auf andere Fragestellungen<br />
wie die Strömung <strong>und</strong><br />
Fluid-Struktur-Wechselwirkung in rotierenden<br />
Verdrängerpumpen oder<br />
Hochdrucksystemen angewendet.<br />
19
20<br />
FACHBEREICH<br />
HOCHDRUCK-, PUMPEN- UND<br />
VERFAHRENSTECHNIK<br />
Verfahrenstechnologie<br />
Mikroverkapselung<br />
Das Start-up Agrolytix entwickelt <strong>und</strong><br />
produziert biologische Pestizide auf<br />
Basis insektenpathogener Viren in<br />
einer eigenen Produktionsanlage <strong>für</strong><br />
den ökologischen <strong>und</strong> integrierten<br />
Landbau. Die neu entwickelten Pflanzenschutzmittel<br />
besitzen gegenüber<br />
herkömmlichen biologischen Spritzmitteln<br />
deutlich verbesserte Wirkeigenschaften,<br />
hierzu zählt v.a. die<br />
hohe Langzeitwirkung. Das erste<br />
Produkt von Agrolytix trägt den Namen<br />
„GranuCaps Cp“ <strong>und</strong> richtet sich<br />
gegen die allseits bekannte Made im<br />
Apfel, einen weltweit ge<strong>für</strong>chteten<br />
Schädling im kommerziellen Apfelanbau.<br />
„GranuCaps Cp“ wurde 2009<br />
erfolgreich getestet <strong>und</strong> befindet sich<br />
aktuell in der Zulassungsphase. Das<br />
Gründungsunternehmen Agrolytix<br />
wird durch das Förderprogramm<br />
EXIST-Forschungstransfer des B<strong>und</strong>esministeriums<br />
<strong>für</strong> Wirtschaft <strong>und</strong><br />
Technologie unterstützt.<br />
Überkritische Partikeltechnologie<br />
Überkritische Fluide (SCFs) haben<br />
annähernd die Dichte einer Flüssigkeit,<br />
aber zugleich die Viskosität eines<br />
Gases, <strong>und</strong> lassen sich durch mi-<br />
nimale Veränderungen des Druckes<br />
oder der Temperatur auf bestimmte<br />
Eigenschaften präzise einstellen.<br />
Dies erlaubt die gezielte Herstellung<br />
von Partikeln mit einer großen Variation<br />
in Größe <strong>und</strong> Morphologie,<br />
einhergehend mit einer meist sehr<br />
engen Partikelgrößenverteilung.<br />
Im Fokus der aktuellen Forschung<br />
steht die Gemisch- <strong>und</strong> Partikelbil-<br />
dung sowie die Klärung der Phänomenologie<br />
des gesamten Hochdruck-<br />
sprühprozesses des „Supercritical<br />
Antisolvent Process (SAS)“. Dieser<br />
ermöglicht es, bei relativ moderaten<br />
Temperaturen Partikel im Mikro- <strong>und</strong><br />
Nanobereich zu generieren. Für diese<br />
Untersuchungen steht mittlerweile<br />
ein kontinuierlich arbeitendes Sys-<br />
tem <strong>für</strong> Drücke bis 1000 bar mit<br />
Sichtfenstern im Sprühbehälter <strong>für</strong><br />
die optische Analyse zur Verfügung.<br />
Damit konnten bisher viele richtungsweisende<br />
Erkenntnisse gewon-<br />
nen werden, die zur Aufklärung der<br />
thermodynamischen <strong>und</strong> prozesstechnischen<br />
Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> der<br />
Herstellbarkeit von „tailor-made particles“<br />
beitrugen. Die Edukte können<br />
dabei sowohl komplexe mehrphasige<br />
Systeme wie z.B. Suspensionen<br />
oder Emulsionen aber auch Reinstoffe<br />
sein.<br />
Darüber hinaus untersucht der <strong>Lehrstuhl</strong><br />
seit vielen Jahren verschiedene<br />
andere Sprühverfahren zur Partikelherstellung.<br />
Beispiele da<strong>für</strong> sind der<br />
PGSS („Particles from Gas Saturated<br />
Solution“) Prozess, der RESS (Rapid<br />
Expansion of Supercritical Suspension)<br />
sowie der GAS (Gas Antisolvent)<br />
Prozess.<br />
Druckpulsationen <strong>und</strong> Pulsations-<br />
dämpfung<br />
Druckpulsationen in Systemen mit<br />
Verdrängerpumpen sind in der Verfahrenstechnik<br />
ein oft vorhandenes<br />
aber störendes Phänomen, das wir<br />
<strong>für</strong> unsere K<strong>und</strong>en beherrschbar<br />
oder vermeidbar machen möchten.<br />
Dass auch Kreiselpumpen starke<br />
<strong>und</strong> störende Pulsationen erzeugen<br />
können, konnte am <strong>Lehrstuhl</strong> durch<br />
intensive Analysen, aber auch durch<br />
etliche Problemlösungen <strong>für</strong> chemische<br />
Anlagen <strong>und</strong> <strong>für</strong> die Wasser-<br />
<strong>und</strong> Abwassertechnik eindeutig nach-<br />
gewiesen werden. Es handelt sich<br />
dabei sowohl um großtechnische An-<br />
lagen als auch um komplexe Systeme<br />
kleinerer Dimensionen. Außerdem<br />
sorgten zahlreiche Forschungsprojekte<br />
an technischen Anlagen <strong>für</strong><br />
eine breite Wissensbasis zu diesem<br />
Thema, die es uns erlaubt, optimale<br />
Dämpfungsmaßnahmen <strong>für</strong><br />
jede Pumpenart zu erarbeiten <strong>und</strong><br />
vorzuschlagen. Die Forschung auf<br />
dem Gebiet der Kreiselpumpen gilt<br />
derzeit den Pulsationsursachen <strong>und</strong><br />
deren Wechselwirkungen mit Systemen<br />
sowie deren Reaktion auf<br />
Druckstöße. Die Brisanz der Pulsationsproblematik<br />
zeigen aber auch
Anlage zur Produktion von biologischen Pestiziden auf der<br />
Basis insektenpathogener Viren<br />
Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) zu Untersuchung von<br />
Oberflächenstrukturen<br />
Al 2 O 3 -Doppelpyramide im REM REM-Aufnahme von Yttriumacetat-<br />
Hohlkugeln<br />
Laseroptische Untersuchungen zur<br />
Partikelbildung in einem Hochdrucksprühprozess<br />
aktuelle Forschungen im Bereich der<br />
Common-Rail-Einspritzung an Kfz-<br />
<strong>und</strong> Nfz-Motoren. Hier kommt es aufgr<strong>und</strong><br />
der Pulsation des Kraftstoffes<br />
zu Schwankungen der gewünschten<br />
Einspritzmenge.<br />
Da die Pulsationsproblematik <strong>für</strong> alle<br />
Pumpenanwender ein drängendes<br />
Problem ist, bieten wir zu diesem<br />
Thema regelmäßig Seminare an, in<br />
denen wir den Teilnehmern theoretische<br />
<strong>und</strong> praktische Erfahrungen<br />
vermitteln.<br />
Störungsfrüherkennung<br />
Zuverlässige Störungsfrüherkennung<br />
<strong>und</strong> Monitoringtechniken werden in<br />
der Prozesstechnik immer wichtiger,<br />
um die Produktionsausfallkosten zu<br />
minimieren. Hierzu hat der <strong>Lehrstuhl</strong><br />
mittlerweile eine herausragende Expertise.<br />
Sowohl <strong>für</strong> Exzenterschne-<br />
ckenpumpen, Schraubenpumpen, os-<br />
zillierende Verdrängerpumpen als<br />
auch <strong>für</strong> Flüssigkeitsringvakuumpumpen<br />
konnten effiziente zuverlässige<br />
Systeme entwickelt werden.<br />
Entscheidende Philosophie des Lehr-<br />
stuhls ist dabei, dass Systeminteraktionen<br />
den wesentlichen Schadensbeitrag<br />
liefern. Diesem Gedanken<br />
wird durch SFE-Systeme mit Systemsensibilität<br />
<strong>und</strong> spezieller Sensortechnik<br />
<strong>und</strong> Merkmalsbildung<br />
Rechnung getragen. Damit konnte<br />
der <strong>Lehrstuhl</strong> schon einigen Firmen<br />
zuverlässige Lösungen übergeben.<br />
21
22<br />
FACHBEREICH<br />
CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE<br />
PROZESSTECHNIK<br />
Forschungsziele<br />
Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe<br />
„Chemische <strong>und</strong> Biologische<br />
Prozesstechnik“ liegt sowohl<br />
in der apparativen Weiterentwicklung<br />
bestehender industrieller Verfahren<br />
als auch in der Etablierung neuer<br />
prozesstechnischer Methoden im<br />
gesamten Bereich des Chemie- <strong>und</strong><br />
Bioingenieurwesens. Es ist somit<br />
nicht das primäre Ziel, die eigentliche<br />
chemische oder biologische Reaktion<br />
zu optimieren, sondern vielmehr<br />
neue mechanische Verfahren<br />
zu entwickeln, die diese Reaktionen<br />
energieeffizienter ablaufen lassen<br />
bzw. dabei helfen, die betriebswirtschaftlichen<br />
Hauptfaktoren Kosten<br />
<strong>und</strong> Zeit zu minimieren. Das Team<br />
von Doktoranden erarbeitet hierbei<br />
ganzheitliche Lösungsansätze von<br />
der ersten Idee bis hin zur industriellen<br />
Realisierung.<br />
Versuchsanlage zur Trennung von Gasgemischen<br />
mit Hilfe Ionischer Flüssigkeiten<br />
Chemische Prozesstechnik<br />
Bei der Stoffgruppe der Ionischen<br />
Flüssigkeiten handelt es sich um<br />
Salze mit einem Schmelzpunkt unter<br />
100°C, die oft sogar schon bei<br />
Raumtemperatur in flüssiger Form<br />
vorliegen. Ionische Flüssigkeiten<br />
sind seit den 90er Jahren im Fokus<br />
der Forschung <strong>und</strong> wurden seitdem<br />
auf einigen Feldern zu wichtigen<br />
Einsatzmedien. Dazu gehören die<br />
Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten<br />
als Batterieelektrolyte, als<br />
neuartige GC-Säulen <strong>und</strong> HPLC-<br />
Phasen oder als Lösungsmittel <strong>für</strong><br />
Synthesen <strong>und</strong> katalytische Reaktionen.<br />
Die Arbeitsgruppe am iPAT konzentriert<br />
sich auf die Anwendung von<br />
Ionischen Flüssigkeiten im Bereich<br />
der Prozesstechnik.<br />
Aufgr<strong>und</strong> ihres relativ hohen Preises<br />
im Vergleich zu herkömmlichen<br />
Betriebsflüssigkeiten ist es sinnvoll,<br />
Ionische Flüssigkeiten nur dort ein-<br />
Cationen Anionen<br />
Typische Bestandteile Ionischer Flüssigkeiten<br />
zusetzen, wo eine erhebliche Effizienzsteigerung<br />
erreicht werden<br />
kann. Dies bezieht sich sowohl auf<br />
Anwendungen, in denen durch die<br />
Verwendung Ionischer Flüssigkeiten<br />
Energie eingespart, die Lebensdauer<br />
der Maschine erheblich erhöht<br />
oder der Leistungsbedarf verringert<br />
wird. Zudem können Verfahren realisiert<br />
werden, die mit herkömmlichen<br />
Schmiermitteln unmöglich sind. So<br />
konnte am iPAT ein mit Ionischer<br />
Flüssigkeit geschmierter Sauerstoffkompressor<br />
entwickelt werden.<br />
Biologische Prozesstechnik<br />
Der berechtigte Trend der Konsumenten<br />
hin zu naturnahen, möglichst<br />
unverfälschten biologischen<br />
Erzeugnissen erfordert zunehmend<br />
optimierte Produktionsverfahren, um<br />
den steigenden Qualitätsansprüchen<br />
Rechnung zu tragen. Hierbei entfernen<br />
sich diese Herstellungsprozesse<br />
immer weiter von denen des klas-
Verschiedene Nährmedien zur Kultivierung von Mikroorganismen<br />
Stammhaltung von Mikroorganismen im biologischen Labor<br />
Kultivierung von Mikroorganismen auf Agar-Kulturplatten zur<br />
Bereitstellung <strong>für</strong> Hochdruckversuche<br />
Arbeitsgruppe Chemische <strong>und</strong> Biologische<br />
Prozesstechnik<br />
sischen Chemieapparate- <strong>und</strong> Maschinenbaus,<br />
bedienen sich jedoch<br />
weiterhin deren gr<strong>und</strong>legender verfahrenstechnischer<br />
Methoden. Bei-<br />
spielsweise können verderbliche<br />
Lebensmittel wie Wurst, Avocadopüree<br />
oder Austern bereits heute<br />
durch eine Hochdruckbehandlung<br />
ohne Verlust der Nährstoffqualität<br />
haltbar gemacht werden, was bei einer<br />
herkömmlichen Hitzesterilisation<br />
nur äußerst bedingt gewährleistet<br />
werden kann. Die verfahrenstechnische<br />
Optimierung <strong>und</strong> damit die<br />
wirtschaftliche Anwendungsdiversifizierung<br />
dieses Prozesses stecken<br />
jedoch noch in den Anfängen.<br />
Im Gegensatz zum Bestreben, Mikroorganismen<br />
möglichst effektiv<br />
abzutöten, gewinnt auch die genaue<br />
Umkehrung dieser Zielsetzung an<br />
industrieller Relevanz. In diesem Fall<br />
wird versucht, die Organismen möglichst<br />
schonend zu behandeln. Interessant<br />
ist diese Thematik nicht nur<br />
im eigentlichen Produktionsschritt ei-<br />
nes biotechnologischen Prozesses –<br />
also im Bioreaktor selbst – sondern<br />
auch in dessen Peripherie <strong>und</strong> in vor-<br />
bzw. nachgeschalteten Schritten.<br />
Dies trifft zum einen auf Fermentationen,<br />
aber auch auf Herstellungsverfahren<br />
der pharmazeutischen Industrie<br />
<strong>und</strong> der Lebensmitteltechnik<br />
zu.<br />
23
24<br />
FACHBEREICH<br />
CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE<br />
PROZESSTECHNIK<br />
Ionische Flüssigkeiten<br />
Die Stoffklasse der Ionischen Flüssigkeiten<br />
(IL, von engl.: ionic liquid)<br />
erregt seit einigen Jahren aufgr<strong>und</strong><br />
ihrer einzigartigen physikalischen<br />
<strong>und</strong> chemischen Eigenschaften verstärkt<br />
das Interesse von Forschung<br />
<strong>und</strong> Industrie. Im Rahmen verschiedener<br />
Forschungsprojekte hat der<br />
iPAT bereits umfangreiche Erfahrungen<br />
mit Ionischen Flüssigkeiten<br />
gesammelt. Um ILs erfolgreich als<br />
Betriebsmittel <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
einzusetzen, ist die Kenntnis gr<strong>und</strong>legender<br />
physikalischer Parameter<br />
notwendig. Deshalb wird am <strong>Lehrstuhl</strong><br />
unter anderem mit einem Hoch-<br />
druckbiegeschwinger <strong>und</strong> einem Rheo-<br />
meter gearbeitet, um Ionische Flüssigkeiten<br />
im Hinblick auf Kompressibilität,<br />
Dichte, Schallgeschwindigkeit<br />
<strong>und</strong> Viskosität zu charakterisieren.<br />
Für viele potentielle Anwendungen<br />
Ionischer Flüssigkeiten sind ihre<br />
Schmiereigenschaften von großem<br />
Interesse. Zur Bestimmung von Reibungskoeffizienten<br />
<strong>und</strong> Verschleiß<br />
kann ein oszillierendes Kugel-Scheibe-Tribometer<br />
genutzt werden. Alle<br />
bisher untersuchten ILs zeigen Rei-<br />
bungskoeffizienten, die unter denen<br />
hoch additivierter Vergleichsöle liegen.<br />
Um eine Eignung als Schmierstoff<br />
umfassend bewerten zu können,<br />
werden darüber hinaus die<br />
thermische Stabilität sowie der Benetzungswinkel<br />
gegenüber verschiedenen<br />
Werkstoffen untersucht.<br />
Da eine Betriebsflüssigkeit mit einer<br />
Vielzahl unterschiedlicher Materialien<br />
<strong>und</strong> Dichtungswerkstoffen in<br />
Kontakt steht, stellen die Korrosivität<br />
<strong>und</strong> Materialverträglichkeit ein<br />
gr<strong>und</strong>sätzliches Knockout-Kriterium<br />
dar. Die Korrosivität Ionischer Flüssigkeiten<br />
kann am iPAT mit einem<br />
eigens konstruierten Versuchsstand<br />
in Anlehnung an die VDMA-Richtlinie<br />
24570 bestimmt werden. Ein wichti-<br />
Tropfen einer Ionischen Flüssigkeit auf<br />
Kupfer<br />
REM-Aufnahme einer Elastomerprobe,<br />
die von Ionischen Flüssigkeiten geschädigt<br />
wurde<br />
ger Faktor bei der Beurteilung des<br />
Korrosionsverhaltens ist die Bereitschaft<br />
der ILs Wasser aufzunehmen.<br />
Da ein erhöhter Wassergehalt<br />
das Korrosionsverhalten <strong>und</strong> eine<br />
Vielzahl weiterer physikalischer Parameter<br />
beeinflusst, kann der Wassergehalt<br />
mit Hilfe von Karl-Fischer-<br />
Titration bestimmt werden.<br />
Neben der Erforschung wesentlicher<br />
Gr<strong>und</strong>lagen zur Verwendung<br />
Ionischer Flüssigkeiten in <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> industriellen Prozessen<br />
wird am iPAT auch an konkreten<br />
Anwendungen geforscht. Aufgr<strong>und</strong><br />
ihres vernachlässigbaren Dampfdrucks<br />
eignen sich ILs besonders <strong>für</strong><br />
Verfahren mit Gasen, da diese nicht<br />
durch flüchtige Betriebsmittel verunreinigt<br />
werden. So wurde beispielsweise<br />
ein IL- geschmierter Kompressor<br />
<strong>für</strong> reinen Sauerstoff erfolgreich<br />
entwickelt. Die eingesetzte IL wurde<br />
zuvor mit einer Druckstoßappara-
Abtragsrate<br />
Edelstahl<br />
Aluminium<br />
Wassergehalt<br />
Abtragsrate von verschiedenen Materialien in Abhängigkeit<br />
vom Wassergehalt der Ionischen Flüssigkeit<br />
Untersuchung von metallischer Korrosion in Ionischen Flüssigkeiten<br />
Tribometer zur Untersuchung von Reibungskoeffizient<br />
<strong>und</strong> Verschleiß<br />
tur gemäß BAM-Richtlinien auf ihre<br />
Verträglichkeit gegenüber Sauerstoff<br />
ausführlich getestet. Des Weiteren<br />
wird am <strong>Lehrstuhl</strong> auch die selektive<br />
Löslichkeit von Gasen untersucht<br />
<strong>und</strong> eine Versuchsanlage zur Trennung<br />
von CO 2 <strong>und</strong> H 2 mit Hilfe Ionischer<br />
Flüssigkeiten betrieben.<br />
In den letzten Jahren konnten durch<br />
den Einsatz Ionischer Flüssigkeiten<br />
als Betriebsmittel bereits mehrfach<br />
Effizienzsteigerungen nachgewiesen<br />
werden. So konnte beispielsweise<br />
das erzielbare Vakuum in einer<br />
Flüssigkeitsringvakuumpumpe von<br />
70 mbar auf 5 mbar herabgesetzt<br />
werden. Aufgr<strong>und</strong> der deutlich geringeren<br />
Kompressibilität im Vergleich<br />
zu Mineralölen konnte der Förderdruck<br />
einer Membranpumpe <strong>und</strong><br />
deren volumetrischer Wirkungsgrad<br />
bei hohen Betriebsdrücken um mehr<br />
als 50 Prozent gesteigert werden.<br />
Außerdem wurde erstmals gezeigt,<br />
dass der Betrieb von Verbrennungsmotoren<br />
mit ILs als Schmiermedium<br />
möglich ist. Im Rahmen der Untersuchungen<br />
wurde der Motor über<br />
40 St<strong>und</strong>en störungsfrei betrieben.<br />
Infolge der guten Schmiereigenschaften<br />
der Ionischen Flüssigkeiten<br />
wurden während der Versuche<br />
erhebliche Verbrauchseinsparungen<br />
gemessen.<br />
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26<br />
FACHBEREICH<br />
CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE<br />
PROZESSTECHNIK<br />
Mechanische Behandlung von<br />
biologischem Material<br />
Am <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik wurde in<br />
den letzten Jahren unter anderem<br />
ein biologisches Labor eingerichtet,<br />
das es erlaubt, biologisches Material<br />
kontaminationsfrei aufzubereiten,<br />
zu kultivieren <strong>und</strong> <strong>für</strong> die spätere<br />
Verwendung zu verwahren. Wie im<br />
Folgenden näher erläutert wird, beziehen<br />
sich derzeitige Forschungsschwerpunkte<br />
auf die Quantifizierung<br />
der Belastungen, die vor allem<br />
auf Mikroorganismen <strong>und</strong> Lebensmittelinhaltsstoffe<br />
in biotechnischen<br />
Anlagen wirken. Dabei zielen diese<br />
Untersuchungen sowohl darauf, inwiefern<br />
diese Belastungen möglichst<br />
effizient maximiert werden können,<br />
um die Mikroorganismen letztendlich<br />
abzutöten <strong>und</strong> dadurch das Produkt<br />
zuverlässig zu sterilisieren, als auch<br />
darauf, diese Belastungen zu minimieren,<br />
um gegebenenfalls die Organismen<br />
im Endprodukt möglichst<br />
vital zu erhalten.<br />
Mechanische Sterilisation<br />
Konventionelle Sterilisationsverfahren<br />
wie Erhitzung <strong>und</strong> Bestrahlung<br />
beeinträchtigen oftmals Textur, Geschmack<br />
<strong>und</strong> Wertstoffgehalt von<br />
Lebensmitteln <strong>und</strong> pharmazeutischen<br />
Produkten. Aus diesem Gr<strong>und</strong><br />
besteht heutzutage ein wachsender<br />
Bedarf an Methoden des sogenannten<br />
Minimal Processing, also der<br />
gezielten Inaktivierung von degenerierenden<br />
<strong>und</strong> pathogenen Mikroorganismen<br />
ohne Veränderung des<br />
eigentlichen Produktes. Statische<br />
Hochdruckbehandlungen sind eine<br />
Variante dieser schonenden Behandlung,<br />
sind jedoch aufgr<strong>und</strong> der<br />
Chargenfahrweise, hoher Maximaldrücke<br />
<strong>und</strong> langer Druckhaltezeiten<br />
bisher vor allem auf die Anwendung<br />
<strong>für</strong> hochwertige Produkte beschränkt.<br />
Im Gegensatz dazu bergen dynamische<br />
Hochdruckfahrweisen das<br />
Potenzial, die vollständige Inaktivierung<br />
durch gezielte Kombination von<br />
Druckprofilen bereits bei weitaus<br />
energieeffizienteren Prozessbedingungen<br />
zu erreichen. Hierdurch wird<br />
außerdem der Weg zur Etablierung<br />
eines kontinuierlichen Verfahrens ge-<br />
ebnet, welches wiederum den Übergang<br />
zur großwirtschaftlich interessanten<br />
Produktion erlaubt. Zur Erforschung<br />
dieses Themenkomplexes<br />
wurden am <strong>Lehrstuhl</strong> bereits mehrere<br />
Hochdruckanlagen <strong>und</strong> Ana-<br />
lytiksysteme (z.B. Raman-Spektroskopie,<br />
Kapillarelektrophorese) ent-<br />
wickelt; zusätzlich vermag die Simulation<br />
des Hochdruckeinflusses auf<br />
die Mikroorganismen mittels finiter<br />
Elemente die experimentellen Ergeb-<br />
nisse zu unterstützen <strong>und</strong> zu bestätigen.<br />
Schonende Förderung von Biofluiden<br />
Im Gegensatz zur möglichst vollstän-<br />
digen Inaktivierung der Mikroorganis-<br />
men beschäftigt sich die Forschung<br />
auf dem Gebiet der schonenden Förderung<br />
von Biofluiden genau mit der<br />
gegenteiligen Thematik: Wie groß<br />
darf die mechanische Belastung auf<br />
Biofluide maximal sein, <strong>und</strong> auf welche<br />
Art darf sie auftreten, um gerade<br />
noch nicht schädigend zu wirken? In<br />
biotechnologischen Prozessen spie-<br />
len solche Belastungen eine außerordentlich<br />
wichtige Rolle. In industriellen<br />
Verfahren ist es jedoch auch<br />
notwendig, biotische Suspensionen<br />
möglichst zerstörungsfrei zu transportieren,<br />
um eine schonende Pro-<br />
Geschwindigkeitsverteilung (links) <strong>und</strong> Scherstressverteilung (rechts) um ein rotierendes<br />
Zahnrad <strong>für</strong> die Förderung biologischer Fluide
Finite-Elemente-Simulation des Einflusses von Unregelmäßig-<br />
keiten im Zellaufbau unter Hochdruckeinwirkung<br />
Hochdruck-Sterilisation von Lebensmittelproben<br />
Simulation von hochdruckinduzierten<br />
Spannungen auf Zellorganellen<br />
duktion <strong>und</strong> eine Nachhaltigkeit der<br />
Zellen zu gewährleisten. Ein besse-<br />
res Verständnis der in Pumpen <strong>und</strong><br />
Peripherien auftretenden Strömungs-<br />
formen <strong>und</strong> somit der Belastungsarten<br />
sind wichtig, um eine bessere<br />
Wirtschaftlichkeit bei industriellen<br />
Produktionsverfahren zu gewährleisten.<br />
Experimentell wird am <strong>Lehrstuhl</strong> die<br />
Schädigung unter Verwendung der<br />
Indikatorzelle Euglena gracilis untersucht.<br />
Das speziell <strong>für</strong> diese Zelle<br />
entwickelte Ecotox Monitoring System<br />
detektiert dabei die Veränderung<br />
spezifischer Eigenschaften der<br />
Indikatorzelle, die auf mechanische<br />
Reize äußerst sensibel mit Veränderungen<br />
der Zellform, dem Verlust<br />
der Orientierungsfähigkeit <strong>und</strong> der<br />
Motilität reagiert. Somit kann einfach<br />
<strong>und</strong> schnell die Inhibierung der Zellen<br />
aufgr<strong>und</strong> mechanischer Belastungen<br />
bestimmt werden. Numerisch<br />
werden durch Strömungssimulation<br />
diese Belastungen örtlich aufgelöst<br />
quantifiziert. Mit Hilfe der Verbindung<br />
experimenteller Messmethoden <strong>und</strong><br />
numerischer Analyse sowie einem<br />
geeigneten Schädigungsmodell gelingt<br />
es, die Schädigung von Euglena<br />
gracilis, im Speziellen aber auch<br />
anderer Mikroorganismen in einer<br />
gegebenen Strömung vorherzusagen.<br />
Damit steht ein Werkzeug zur<br />
Verfügung, das besonders bei der<br />
Auslegung von Pumpen aufwendige<br />
Experimente ersetzen kann.<br />
27
<strong>Lehrstuhl</strong> <strong>für</strong> <strong>Prozessmaschinen</strong><br />
<strong>und</strong> Anlagentechnik<br />
Technische Fakultät<br />
Friedrich-Alexander-Universität<br />
Erlangen-Nürnberg<br />
Cauerstraße 4<br />
D-91058 Erlangen<br />
Telefon +49 9131 85-29450<br />
Fax +49 9131 85-29449<br />
sekretariat@ipat.uni-erlangen.de<br />
www.ipat.uni-erlangen.de<br />
So erreichen Sie uns am besten:<br />
Auto:<br />
Autobahn A3 bis Ausfahrt Erlangen-Tennenlohe,<br />
weiter entlang der B4 Richtung<br />
Erlangen, rechts abbiegen beim Hinweis<br />
Universität Südgelände. Danach links in<br />
die Kurt-Schumacher-Straße <strong>und</strong> beim<br />
Hinweis Technische Fakultät wieder links<br />
in die Cauerstraße.<br />
Weinstr.<br />
Bahn:<br />
Ab Bahnhof Erlangen Buslinie 287 Richtung<br />
Sebaldus-Siedlung bis Haltestelle<br />
Stettiner Straße oder Technische Fakultät.<br />
Taxi ab Bahnhof ca. 10 Minuten.<br />
Flugzeug:<br />
Taxi ab Flughafen Nürnberg ca. 20 Minuten.