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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelementen, insbesondere von Solarabsorber-Bauelementen.
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Keramische Bauelemente, wie Solarabsorberbauelemente, zeichnen sich durch eine besonders hohe Beständigkeit gegenüber hohen thermischen Gradienten aus. Das gilt über den räumlichen Verlauf des Bauelementes als auch bei einem schnellen Wechsel der Temperatur der Bauelemente, einer sogenannten Thermoschockbelastung.
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Besonders wichtig ist diese Eigenschaft bei der Verwendung von keramischen Bauelementen als Bestandteile von Solarabsorbern für den Betrieb solarthermischer Turmkraftwerke. Dabei wird Sonnenlicht mittels automatisch positionierender Spiegel auf einen zentralen Hochtemperaturwärmetauscher, einen sogenannten Solarreceiver, gelenkt, in dem eine Vielzahl von Solarabsorbern das konzentrierte Sonnenlicht in Wärme umwandeln. Die Oberfläche des Solarabsorbers kann auf Temperaturen von bis zu 1380°C aufgeheizt werden, wobei technisch sinnvoll handhabbare Temperaturen um die 1200°C liegen. Das Innere des Hochtemperaturwärmetauschers wird mit einem Wärmeträgermedium, wie Luft, Gas oder Wasserdampf, durchströmt. Bei Luft und Gas wird in einem zweiten Wärmetauscher Wasserdampf erzeugt, der zum Antrieb einer konventionellen Turbine und folglich zur Erzeugung elektrischer Energie dient.
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Die Bauelemente der Solarabsorber bestehen aus Trichtern und Wabenkörpern aus Siliziumcarbid oder anderen massiven (z. B. Rohre) oder porösen Keramiken und sind beispielsweise aus
DE 100 07 648 C1 und
WO 2004/023048 A1 bekannt.
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Die Hochtemperaturwärmetauscher sind im Betrieb in solarthermischen Kraftwerken starken und schnellen Temperaturwechseln ausgesetzt. Diese Temperaturwechsel betragen in der Regel bis zu 200 °C/min und treten zum Beispiel durch Abschattung der Sonneneinstrahlung beim Durchzug von Wolkenfeldern auf. Für solche Hochtemperaturwärmetauscher wird eine Nutzungsdauer von mindestens 20 Jahren angestrebt.
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Keramische Werkstoffe weisen entsprechende Materialeigenschaften bezüglich thermischer Beständigkeit auf. Jedoch tritt bei ihnen fertigungstechnisch bedingt eine statistisch gestreute Verteilung des Defektkollektivs auf, wie Poren, Risse oder Inhomogenitäten. Als Folge dieser Fehler kann es im Einsatzfall zum Ausfall des Bauelements kommen.
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Um einen Ausfall zu vermeiden, wird bei keramischen Bauelementen bisher ein Einzelstück-Prüfverfahren ausschließlich an Stichproben eingesetzt, bei welchem die Belastung des Bauelements in der späteren Verwendung definiert erreicht oder überschritten wird (sogenanntes Proof-Testing-Konzept). Aufgrund des Sprödbruchverhaltens von Keramik folgt bei Vorhandensein von kritischen Fehlern ein Ausfall des Bauelements. Das Bauelement muss verworfen werden.
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Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung von Thermo- und Thermoschockuntersuchungen von keramischen Bauelementen sind zur Durchführung von Stichproben oder zu Forschungs- und Entwicklungszwecken bekannt. So offenbart
DE 296 17 871 U1 eine Vorrichtung zur Durchführung von Thermo- und Thermoschockuntersuchungen von Keramiken und Gläsern auf Basis eines tischmikroskopischen Aufbaus.
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Bekannte Vorrichtungen zur Prüfung von Solarabsorber-Bauelementen erlauben grundsätzlich die Simulation der Sonnenbelastung mithilfe von Lampensystemen oder Laserquellen. Diese Geräte sind aber für eine kommerzielle Anwendung zum Prüfen aller Bauelemente (100 %iger Proof-Test) nicht praktikabel. Die Einsatzfähigkeit dieser Geräte ist unter industriellen Fertigungsbedingungen durch die lange Aufheizzeit und die kurze Lebensdauer der Lampen und Laserquellen stark eingeschränkt. Eine Prüfung aller Bauelemente vor Verwendung ist deshalb sowohl technisch als auch finanziell nicht möglich.
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Optimale Testbedingungen für Solarabsorber-Bauelemente unter Einsatzbedingungen finden sich in Anlagen, die ihrer Konstruktion nach den eingangs beschriebenen solarthermischen Kraftwerken entsprechen, beispielsweise bei sogenannten Dish-Konfigurationen. Dabei befindet sich im Brennpunkt der Spiegel und damit im Sammelpunkt der gebündelten Sonnenstrahlen ein Einzel-Meßplatz, auf den die zu prüfenden Bauelemente sequentiell positioniert werden. Nachteil dieser Anlagen ist, dass sie nicht fertigungsnah zur Verfügung stehen und im Betrieb natürlichen Witterungseinflüssen und damit Schwankungen in der Intensität der Sonneneinstrahlung unterliegen. Diese Anlagen erlauben somit keinen definierten Betrieb zur Serienprüfung.
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Aus
EP 0 660 101 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Serienprüfung keramischer Motorventile (in der Regel aus Siliziumnitrid) bekannt. Dabei wird das zu prüfende Ventil punktuell erhitzt, was als ausreichend für die Prüfung des Ventils für eine spätere bestimmungsgemäße Verwendung angeführt wird. Ein gültiger Beweis für die Einsatzfähigkeit des Prüfelements wird nicht erbracht. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Inspektion am Ende des Verfahrens in einem eigenen Verfahrensschritt erfolgt.
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Aus
US 5 567 051 A ist die Anwendung eines Thermoschockverfahrens zur Prüfung eines keramischen Bauteils bekannt. Das Bauteil wird dabei zunächst dem Temperaturgradienten ausgesetzt und anschließend auf Risse untersucht.
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Aus ist der Einsatz eines Thermoschockverfahrens als ein Bestandteil eines mehrstufigen Prüfungsverfahrens für keramische Bauteile bekannt.
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Aus
DE 44 19 750 C1 ist die Anwendung eines Thermoschockverfahrens zum Testen eines strukturkeramischen Bauteils bekannt, wobei mithilfe einer Strahlungsquelle, wie zum Beispiel mithilfe eines Lasers, vorher berechnete Temperaturverteilungen erzeugt werden.
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Aus
DE 198 56 858 A1 ist die Anwendung eines Thermoschockverfahrens zur Wärmeermüdungsprüfung eines Motorbauteils bekannt, wie zum Beispiel eines metallischen Motor-Zylinderkopfes. Dabei wird das Bauteil in einem mehrstufigen Verfahren wiederholt erhitzt und abgeschreckt bis Risse an dem zu prüfenden Bauteil beobachtet werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein kostengünstiges und umweltfreundliches Verfahren zum Testen von hochbelastbaren, keramischen Bauelementen, insbesondere von keramischen Solarabsorber-Bauelementen, bereitzustellen, das eine industrielle 100 %ige Prüfung im Proof-Testing-Modus ermöglicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements wird in einem ersten Schritt (a) mindestens ein Bauelement in eine Ladeeinheit eingesetzt. Das Einsetzen der Bauelemente in die Ladeeinheit kann dabei manuell oder mittels einer automatischen Vorrichtung, wie einem Industrieroboter, erfolgen. In einem zweiten Schritt (b) wird das Bauelement mit der Ladeeinheit in eine Heizstation gefahren. In der Heizstation wird das Bauelement flächig, mittels eines Industriebrenners mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 1100 °C bis 1350 °C, gemessen an der Oberfläche des Bauelements, erhitzt. In einem dritten Schritt (c) wird das aufgeheizte Bauelement mit der Ladeeinheit in eine erste Kühlstation gefahren. In der Kühlstation wird das aufgeheizte Bauelement mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C gekühlt. Während und/oder nach der Abkühlphase wird das Bauelement auf Rissbildung untersucht. In einem weiteren Schritt (d) wird das Bauelement in mindestens einer weiteren Stufe auf eine Raumtemperatur von 10 °C bis 40 °C gekühlt und dann entnommen.
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Während des Aufheizens im Schritt (b) wird das Bauelement bevorzugt mit 225 °C/min bis 275 °C/min, auf eine Temperatur von 1100 °C bis 1350 °C erhitzt. Durch das schnelle Erhitzen wird das Bauelement mit hohen thermomechanischen Spannungen (Thermoschock) beaufschlagt, um fehlerhafte Bauelemente gezielt zum Ausfall zu bringen.
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Das Bauelement wird im Schritt (b) bevorzugt mindestens einseitig, besonders bevorzugt genau einseitig, erhitzt. Durch die einseitige Erhitzung wird ein großer Temperaturgradient über den räumlichen Verlauf des Bauelements angelegt.
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Die Temperatur der Oberfläche des Bauelements bei dem Erhitzen in der Heizstation in Schritt (b) wird bevorzugt mit mindestens einer Wärmebildkamera je Bauelement untersucht. Eine inhomogene Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Solarabsorber-Bauelements deutet auf einen Defekt in der keramischen Struktur des Bauelements hin und führt zu einem Verwerfen des Bauelements. Alternativ oder zusätzlich kann zur Bestimmung der Oberflächentemperatur auch ein Pyrometer je Bauelement eingesetzt werden.
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Die Rissbildung im Bauelement wird während des Abkühlvorgangs im Schritt (c) bevorzugt akustisch gemessen. Die Entstehung oder Fortsetzung von Rissen in der keramischen Struktur des Bauelements kann durch knackende oder knisternde Geräusche während des Abkühlvorgangs festgestellt werden. Das Auftreten von Rissen führt zu einem Verwerfen des Bauelements.
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Die Abkühlung des Bauelements in den Schritten (c) und (d) erfolgt bevorzugt mittels eines Gasstroms. Um das Bauelement schnell abzukühlen, wird ein Gasstrom, bevorzugt ein Luftstrom, besonders bevorzugt ein Luftstrom mit einer Temperatur von 10 °C bis 50 °C, auf die Oberfläche des Bauelements gelenkt.
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Verfügt ein Bauelement über nach außen verbundene Hohlräume, kann das Bauelement, bevorzugt auch in seinem Inneren, durch das Saugen eines heißen oder kalten Gasstroms durch die Hohlräume aufgeheizt oder gekühlt werden. Die Geschwindigkeit des Heiz- oder Abkühlvorgangs wird über die Menge des Gasstroms und die Temperatur des Gases gesteuert.
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Das Aufheizen und/oder das Abkühlen des Bauelements erfolgt linear, stufenförmig oder gepulst und/oder alternierend. Die Aneinanderreihung von Heiz- und Kühlphasen sowie das Anlegen verschiedener Temperaturstufen ermöglicht ein besonders verwendungsnahes Testen der zu prüfenden Bauelemente, um bevorzugt eine beschleunigte Thermozyklenbelastung, beispielsweise zur Lebensdauerabschätzung, durchzuführen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert. Die Zeichnung ist eine rein schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 den Verlauf der Temperatur der Oberfläche (9) eines Solarabsorber-Bauelements (1) während der einzelnen Verfahrensschritte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der Ladestation werden vier Solarabsorber-Bauelemente (1) in eine Ladeeinheit (2) eingesetzt (11). In 1 sind jeweils zwei Solarabsorber-Bauelemente (1) pro Ladeeinheit (2) dargestellt. Die Solarabsorber-Bauelemente (1) bestehen aus einer wabenförmig-durchbrochenen Struktur aus Siliziumcarbid mit einer quadratischen Stirnfläche von 140 mm x 140 mm. Die Ladeeinheit (2) verfügt über vier Absorbertrichter (13) zur Aufnahme jeweils eines Solarabsorber-Bauelementes (1). In 1 sind jeweils zwei Absorbertrichter (13) dargestellt. Der Absorbertrichter (13) besteht aus einem quadratischen, keramischen Trichter, der in ein kreisrundes Rohr mit einem Durchmesser von 80 mm mündet.
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Anschließend wird die Ladeeinheit (2) mit den Solarabsorber-Bauelementen (1) von der Ladestation in eine Heizstation transportiert. In der Heizstation ist ein mit Erdgas befeuerter Industriebrenner (3) angebracht. Die Flamme beziehungsweise der heiße Rauchgasstrom (10) des Industriebrenners weist dabei in Richtung der Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements. Unter der Ladeeinheit (2) befindet sich ein Saugzug (4). Der Saugzug (4) saugt das heiße Rauchgas durch die wabenförmigen Aussparungen des Solarabsorber-Bauelements (1) nach unten (8). Die bei der Prüfung anfallende Wärmenergie wird bevorzugt über einen Wärmetauscher abgenommen und einer weiteren Verwendung zugeführt (nicht dargestellt).
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Die Gasaustrittstemperatur wird mittig im Gasaustrittsstrom direkt unterhalb des Absorbertrichters (13) mit einem Temperatursensor (5) gemessen. Als Temperatursensor (5) wird ein Thermoelement verwendet. Die Temperaturmessung dient der Überwachung der Temperatur des Solarabsorber-Bauelements (1) während des Prozesses.
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Mittels der Flamme und der heißen Rauchgase (10) des Industriebrenners wird die Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements mit 225 °C/min bis 275 °C/min, innerhalb von 3 min bis 5 min, auf Temperaturen von 1100 °C bis 1350 °C geheizt.
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Anschließend wird die Temperatur der Oberfläche (9) für 1 min bis 2 min im Bereich von 1100 °C bis 1350 °C konstant gehalten.
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Die Heizstation verfügt je zu prüfendem Solarabsorber-Bauelement (1) über eine Wärmebildkamera (6), von denen zwei in der 1 dargestellt sind. Während des Aufheizens und der Haltezeit wird die Temperaturverteilung der Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements gemessen. Eine inhomogene Temperaturverteilung auf der Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements (1) deutet auf einen Defekt in der Struktur des Bauelements (1) und führt zu einem Verwerfen des Bauelements.
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Anschließend wird die Ladeeinheit (2) mit den erhitzten Bauelementen (1) von der Heizstation in eine erste Kühlstation (I) transportiert. Mittels eines Saugzugs (4) wird Luft mit Raumtemperatur von 20 °C bis 30 °C durch die wabenförmigen Aussparungen des Bauelements gesaugt (8). Innerhalb der ersten 2 min bis 3 min in der Kühlstation (I) wird die heiße Oberfläche (9) des Bauelements (1) mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C abgekühlt. Die Geschwindigkeit des Abkühlvorgangs wird über die Menge des Luftstroms gesteuert.
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In der Kühlstation (I) ist je Solarabsorber-Bauelement (1) ein Mikrofon (7) angebracht, von denen zwei in 1 dargestellt sind. Mit den Mikrofonen (7) kann eine Rissbildung in der keramischen Struktur der Solarabsorber-Bauelemente (1) während des Abkühlvorgangs akustisch gemessen werden. Eine Rissbildung äußert sich durch knackende oder knisternde Geräusche.
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Anschließend wird die Ladeeinheit (2) mit den Solarabsorber-Bauelementen (1) von der ersten Kühlstation (I) in weitere Kühlstationen (II, III) transportiert und auf eine Raumtemperatur von 20 °C bis 30 °C abgekühlt.
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Anschließend wird die Ladeeinheit (2) mit den Solarabsorber-Bauelementen (1) von der dritten Kühlstation (III) in ein Entladestation transportiert. Dort werden die Solarabsorber-Bauelemente (1) optisch auf Defekte, wie Risse oder Brüche in der Oberfläche, untersucht. Die Solarabsorber-Bauelemente (1) werden aus der Ladeeinheit (2) entnommen (12) und bei Gutbefund weiterverarbeitet.
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Das Aufheizen der Oberfläche des Solarabsorber-Bauelements mit 225 °C/min bis 275 °C/min auf Temperaturen von 1100 °C bis 1350 °C und Abkühlen mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C entspricht einer Prüfung des Bauelements über den Verwendungsbereich im solarthermischen Kraftwerk hinaus. Das Testverfahren gewährleistet die volle Funktionsfähigkeit des Bauelements in der späteren Anwendung.
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2 zeigt den Verlauf der Temperatur der Oberfläche (9) eines Solarabsorber-Bauelements während des Heiz- und Abkühlungsprozesses aus 1. In der Heizstation wird die Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements mit 225 °C/min bis 275 °C/min, innerhalb von 3 min bis 5 min, auf Temperaturen von 1100 °C bis 1350 °C geheizt. Anschließend wird die Temperatur der Oberfläche (9) für 1 min bis 2 min im Bereich von 1100 °C bis 1350 °C konstant gehalten. Die an den Temperatursensoren gemessenen Gasaustrittstemperaturen (5) liegen um 200°C bis 300 °C unter den Temperaturen der Oberfläche (9) der Bauelemente (1).
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In der ersten Kühlstation (I) wird die heiße Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements durch einen Luftstrom mit 150 °C/min bis 350 °C/min, innerhalb von 2 min bis 3 min, auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C abgekühlt. Aufgrund der geringer werdenden Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Solarabsorber-Bauelements (1) und der Temperatur der Luft zum Kühlen, verlangsamt sich die Geschwindigkeit des Abkühlens des Solarabsorber-Bauelements (1).
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In Kühlstation (II) und Kühlstation (III) wird die Temperatur des Solarabsorber-Bauelements auf eine Raumtemperatur von 20 °C bis 30 °C abgekühlt.
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Es zeigen:
- (1)
- thermisch hochbelastbares, keramisches Bauelement/Solarabsorber-Bauelement
- (2)
- Ladeeinheit
- (3)
- Industriebrenner
- (4)
- Saugzug/Gebläse mit Anschlüssen an (2)
- (5)
- Temperatursensor/Thermoelement
- (6)
- Wärmebildkamera / Pyrometer
- (7)
- Mikrofon
- (8)
- Richtung des Gasstroms in der Betriebsart „Saugen“
- (9)
- Oberfläche von (1)
- (10)
- Flamme des Industriebrenners (3)/heißer Rauchgasstrom
- (11)
- Richtung des Einsetzens von (1) in (2)
- (12)
- Richtung der Entnahme von (1) aus (2)
- (13)
- Absorbertrichter zur Aufnahme jeweils eines Solarabsorber-Bauelements (1)
