WO2011157625A1 - Verfahren und vorrichtung zum testen von thermisch hochbelastbaren, keramischen bauelementen - Google Patents

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WO2011157625A1
WO2011157625A1 PCT/EP2011/059604 EP2011059604W WO2011157625A1 WO 2011157625 A1 WO2011157625 A1 WO 2011157625A1 EP 2011059604 W EP2011059604 W EP 2011059604W WO 2011157625 A1 WO2011157625 A1 WO 2011157625A1
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component
temperature
cooling
heating
station
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PCT/EP2011/059604
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Inventor
Michael Rozumek
Udo Hack
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Saint-Gobain Industriekeramik Rödental GmbH
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass
    • G01N33/388—Ceramics
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
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    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0658—Indicating or recording means; Sensing means using acoustic or ultrasonic detectors

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for testing thermally highly resilient, ceramic components, in particular of solar absorber components.
  • Ceramic components such as solar absorber components, are characterized by a particularly high resistance to high thermal gradients. This applies to the spatial course of the component as well as a rapid change in the temperature of the components, a so-called thermal shock load.
  • This property is particularly important when using ceramic components as components of solar absorbers for the operation of solar thermal tower power plants.
  • Sunlight is directed by means of automatically positioning mirrors to a central high-temperature heat exchanger, a so-called solar receiver, in which a large number of solar absorbers convert the concentrated sunlight into heat.
  • the surface of the solar absorber can be heated to temperatures of up to 1380 ⁇ , with industrially reasonable temperatures are around 1200 ⁇ .
  • the interior of the high-temperature heat exchanger is traversed by a heat transfer medium, such as air, gas or water vapor. In the case of air and gas, water vapor is generated in a second heat exchanger, which serves to drive a conventional turbine and consequently to generate electrical energy.
  • the components of the solar absorbers consist of funnels and honeycomb bodies made of silicon carbide or other solid (eg tubes) or porous ceramics and are known, for example, from DE 100 07 648 C1 and WO 2004/023048 A1.
  • the high-temperature heat exchangers are exposed to strong and rapid temperature changes during operation in solar thermal power plants. These temperature changes are usually up to 200 ° C / min and occur, for example, by shading the sunlight when passing through cloud fields. For such High-temperature heat exchangers are expected to have a useful life of at least 20 years.
  • Ceramic materials have corresponding material properties with respect to thermal resistance.
  • a statistically scattered distribution of the defect collective occurs, such as pores, cracks or inhomogeneities. As a result of these errors may lead to failure of the device in use.
  • DE 296 17 871 U1 discloses a device for carrying out thermal and thermal shock investigations of ceramics and glasses based on a table-microscopic structure.
  • Optimum test conditions for solar absorber components under conditions of use can be found in systems which, according to their design, correspond to the solar thermal power plants described at the beginning, for example in so-called dish configurations. It is in the focus of the mirror and thus in Collection point of the bundled sunrays a single measuring station, on which the components to be tested are sequentially positioned.
  • the disadvantage of these systems is that they are not available close to production and subject to natural weather conditions and thus fluctuations in the intensity of solar radiation during operation. These systems thus do not allow a defined operation for series testing.
  • EP 0 660 101 A1 discloses a method and a device for series testing of ceramic motor valves (usually of silicon nitride).
  • the valve to be tested is heated selectively, which is considered sufficient for the examination of the valve for later intended use.
  • a valid proof of the usability of the test element is not provided.
  • Another disadvantage of this method is that the inspection takes place at the end of the process in a separate process step.
  • the object of the present invention is to provide a cost-effective and environmentally friendly method for testing heavy-duty ceramic devices, particularly ceramic solar absorber devices, which enables industrial 100% testing in proof-testing mode.
  • the object of the present invention is achieved by a method for testing a thermally highly resilient, ceramic component according to claim 1. Preferred embodiments will become apparent from the dependent claims.
  • a at least one component is inserted into a charging unit.
  • the insertion of the components in the loading unit can be done manually or by means of an automatic device, such as an industrial robot.
  • a second step (b) the component is moved with the loading unit in a heating station.
  • the device In the heating station, the device is surface, by means of an industrial burner at 150 ° C / min to 350 ° C / min to a temperature of 1 100 ° C to 1350 ' ⁇ , measured at the surface of the device, heated.
  • a third step (c) the heated component is moved with the loading unit in a first cooling station.
  • the device is examined for cracking.
  • the device is cooled in at least one further stage to a room temperature of 10 ' ⁇ to 40 ° C and then removed.
  • the component is preferably heated at 225 ⁇ to 275 ° C / min, to a temperature of 1 100 ° C to 1350 ° C. Due to the rapid heating, the component is subjected to high thermo-mechanical stresses (thermal shock) in order to specifically bring defective components to failure.
  • the component is preferably heated in step (b) at least on one side, particularly preferably on one side only. Due to the one-sided heating, a large temperature gradient is applied over the spatial profile of the component.
  • the temperature of the surface of the component when heated in the heating station in step (b) is preferably investigated with at least one thermal imaging camera per component.
  • An inhomogeneous temperature distribution on the surface of the solar absorber component indicates a defect in the ceramic structure of the component and leads to a discarding of the component.
  • a pyrometer per component can also be used to determine the surface temperature.
  • the cracking in the component is preferably measured acoustically during the cooling process in step (c).
  • the formation or continuation of cracks in the ceramic structure of the device can be detected by cracking or crackling noises during the cooling process. The occurrence of cracks leads to discarding of the device.
  • the cooling of the component in steps (c) and (d) is preferably carried out by means of a gas flow.
  • a gas stream preferably an air stream, particularly preferably an air stream with a temperature of 10 ° C to 50 ' ⁇ , is directed onto the surface of the component. If a component has cavities connected to the outside, the component, preferably also in its interior, can be heated or cooled by the suction of a hot or cold gas flow through the cavities. The speed of the heating or cooling process is controlled by the amount of gas flow and the temperature of the gas.
  • the heating and / or cooling of the device is linear, stepped or pulsed and / or alternating.
  • the juxtaposition of heating and cooling phases and the application of different temperature levels allows a particularly close to use testing of the components to be tested in order to preferably perform an accelerated thermocycling, for example, for lifetime estimation.
  • the object of the invention is further achieved by a device for testing a thermally highly resilient, ceramic component.
  • This device comprises a charging station which has at least one charging unit for receiving at least one component to be tested.
  • the charging station is followed by a heating station, which has at least one industrial burner for heating the component or for heating gas, with which the component is acted upon.
  • the heating station is followed by a cooling station, which has at least one cooling device for cooling the heated component.
  • the cooling station is adjoined by an unloading station, which has a removal device for unloading the component from the loading unit.
  • the heating station preferably has an industrial burner with a heating power of 5 kW to 150 kW, particularly preferably from 10 kW to 50 kW, in order to realize the required heating rates.
  • the industrial burner is preferably operated by means of combustible gases, such as natural gas or town gas, or flammable liquids, such as fuel oil.
  • the industrial burner is preferably mounted pivotably relative to the surface of the component to be tested, so that any angle arrangements between the flame or the hot flue gas stream of the industrial burner and the surface of the component can be assumed.
  • the area of the area heated by the industrial burner is preferably at least as large as the surface of the component to be heated.
  • the area of the Industrial burner heated area may preferably be scaled by the use of multiple industrial burners.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention preferably has a charging unit with connections and at least one fan.
  • the fan is mounted in the cooling station above the component and directs a gas flow to the heated component.
  • a gas preference is given to using air or inert gases, such as nitrogen, particularly preferably gases having a temperature of from 10 to 50 °.
  • a volumetric ceramic component has cavities connected to the outside, the component is preferably heated or cooled by sucking a gas stream through the cavities.
  • the gas flow is passed through the device.
  • a fan in the form of a suction train is fixedly connected to the charging unit.
  • several fans in the form of suction trains in the heating station and in the cooling station are present.
  • the suction cables are connected via the loading unit with the cavities of the component.
  • the hot flue gas of the industrial burner can be sucked through the cavities of the component with the induced draft.
  • the component is thus heated efficiently.
  • a cold gas stream can be sucked through the cavities of the component with the induced draft.
  • the component is thus cooled efficiently.
  • the speed of the heating or cooling operation of the device is controlled by the amount of gas flow.
  • the device preferably contains at least one temperature sensor, particularly preferably a thermocouple, in the charging unit and / or on the component to be tested.
  • the temperature sensor allows the measurement of the temperature of the component and / or the gas outlet temperature of the gas flowing through the component and can be used to monitor the process.
  • the heating station preferably contains at least one pyrometer and / or at least one thermal imaging camera for measuring the temperature and / or the temperature distribution of the surface of the component during heating.
  • At least one cooling station preferably contains at least one microphone for measuring the formation of cracks during the cooling phase. Cracking in a ceramic component manifests itself as crackling or crackling noises.
  • the invention further includes the use of the device for testing a thermally highly resilient, ceramic component, preferably a high-temperature heat exchanger and / or a solar absorber component.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual method steps of the method according to the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual method steps of the method according to the invention.
  • the charging station four solar absorber components (1) in a charging unit (2) are used (1 1).
  • FIG. 1 shows two solar absorber components (1) per charging unit (2).
  • the Solarabsorber- components (1) consist of a honeycomb-perforated structure of silicon carbide with a square face of 140 mm x 140 mm.
  • the loading unit (2) has four absorber funnels (13) for receiving one each Solar absorber component (1).
  • two absorber funnels (13) are shown in each case.
  • the absorber funnel (13) consists of a square, ceramic funnel, which opens into a circular tube with a diameter of 80 mm.
  • the charging unit (2) with the solar absorber components (1) is transported from the charging station to a heating station.
  • a natural gas-fired industrial burner (3) is mounted in the heating station.
  • the flame or the hot flue gas stream (10) of the industrial burner points in the direction of the surface (9) of the solar absorber component.
  • Under the loading unit (2) is a suction (4).
  • the induced draft (4) sucks the hot flue gas through the honeycomb-shaped recesses of the solar absorber component (1) downwards (8).
  • the heat energy obtained during the test is preferably taken off via a heat exchanger and fed to a further use (not shown).
  • the gas outlet temperature is measured centrally in the gas outlet stream directly below the absorber funnel (13) with a temperature sensor (5).
  • a temperature sensor (5) a thermocouple is used as a temperature sensor (5). The temperature measurement serves to monitor the temperature of the solar absorber component (1) during the process.
  • the surface (9) of the solar absorber component By means of the flame and the hot flue gases (10) of the industrial burner, the surface (9) of the solar absorber component at 225 ° C / min to 275 ° C / min, within 3 min to 5 min, to temperatures of 1 100 ° C. heated to 1350 ° C. Subsequently, the temperature of the surface (9) is kept constant for 1 min to 2 min in the range of 1100 ° C to 1350 ° C.
  • the heating station has each to be tested solar absorber component (1) via a thermal imaging camera (6), two of which are shown in the figure 1.
  • a thermal imaging camera (6) two of which are shown in the figure 1.
  • the temperature distribution of the surface (9) of the solar absorber component is measured.
  • An inhomogeneous temperature distribution on the surface (9) of the solar absorber component (1) indicates a defect in the structure of the component (1) and leads to a rejection of the component.
  • the loading unit (2) with the heated components (1) is transported from the heating station into a first cooling station (I).
  • a suction (4) is air at room temperature of 20 ° C to 30 ° C through the honeycomb-shaped recesses of the component sucked (8).
  • the hot surface (9) of the component (1) is cooled at 150 ° C / min to 350 ⁇ € / min to a temperature of 500 ' ⁇ to 800 ° C ,
  • the speed of the cooling process is controlled by the amount of air flow.
  • a microphone (7) is mounted per solar absorber component (1), two of which are shown in Figure 1. Cracking in the ceramic structure of the solar absorber components (1) can be measured acoustically with the microphones (7) during the cooling process. Cracking is caused by crackling or crackling noises.
  • the charging unit (2) with the solar absorber components (1) from the third cooling station (III) is transported to an unloading station.
  • the solar absorber components (1) are visually inspected for defects such as cracks or breaks in the surface.
  • the solar absorber components (1) are removed from the loading unit (2) (12) and further processed in good report.
  • Heating the surface of the solar absorber component with 225 ⁇ ⁇ to 275 ⁇ € ⁇ to temperatures of 1 100 ° C to 1350 ° C and cooling with 150 ⁇ € ⁇ to 350 ⁇ ⁇ to a temperature of 500 ' ⁇ to 800' ⁇ corresponds to an examination of the device beyond the range of application in the solar thermal power plant addition.
  • the test procedure ensures the full functionality of the device in the later application.
  • FIG. 2 shows the profile of the temperature of the surface (9) of a solar absorber component during the heating and cooling process from FIG. 1.
  • the surface (9) of the solar absorber component at 225 ° C / min to 275 ⁇ ⁇ , heated within 3 min to 5 min, to temperatures of 1 100 ° C to 1350 ° C.
  • the temperature of the surface (9) for 1 min to 2 min in the range of 1 100 ° C to 1350 ' ⁇ held constant.
  • the gas outlet temperatures (5) measured at the temperature sensors are lower than the temperatures of the surface (9) of the components (1) by 200 ° to 300 °.
  • the hot surface (9) of the solar absorber component by an air flow with 150 ⁇ ⁇ to 350 ° C / min, within 2 min to 3 min, to a temperature of 500 ' ⁇ to 800 ° C cooled. Due to the decreasing temperature difference between the temperature of the solar absorber component (1) and the temperature of the air for cooling, the speed of cooling of the solar absorber component (1) slows down.
  • cooling station (II) and cooling station (III) the temperature of the solar absorber component is cooled to a room temperature of 20 ' ⁇ to 30 ° C.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements, wobei: a. mindestens ein Bauelement (1) in eine Ladeeinheit (2) eingesetzt wird, b. das Bauelement (1) mit der Ladeeinheit (2) in eine Heizstation gefahren und flächig, mittels eines Industriebrenners (3) mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 1100 °C bis 1350 °C erhitzt wird, c. das aufgeheizte Bauelement mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C gekühlt wird, wobei das Bauelement während und/oder nach der Abkühlphase auf Rissbildung untersucht wird, d. das Bauelement in mindestens einer weiteren Stufe auf eine Raumtemperatur von 10 °C bis 40 °C gekühlt und dann entladen wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Testen von thermisch hochbelastbaren, keramischen
Bauelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen von thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelementen, insbesondere von Solarabsorber- Bauelementen.
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.
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 ^ aufgeheizt werden, wobei technisch sinnvoll handhabbare Temperaturen um die 1200 ^ 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Aus EP 0 660 101 A1 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.
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.
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.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und deren Verwendung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
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 1 100 °C bis 1350 'Ό, 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 <€/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 'Ό bis 40 °C gekühlt und dann entnommen.
Während des Aufheizens im Schritt (b) wird das Bauelement bevorzugt mit 225 <ΌΛηίη bis 275 °C/min, auf eine Temperatur von 1 100 °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.
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.
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.
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.
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 'Ό, auf die Oberfläche des Bauelements gelenkt. Verfügt ein Bauelement über nach au ßen 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.
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.
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren durch eine Vorrichtung zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements gelöst. Diese Vorrichtung umfasst eine Ladestation, die mindestens eine Ladeeinheit zur Aufnahme von mindestens einem zu prüfenden Bauelement aufweist. Der Ladestation schließt sich eine Heizstation an, die mindestens einen Industriebrenner zur Erhitzung des Bauelements oder zur Erhitzung von Gas, mit dem das Bauelement beaufschlagt wird, aufweist. Der Heizstation schließt sich eine Kühlstation an, die mindestens eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des aufgeheizten Bauelements aufweist. Der Kühlstation schließt sich eine Entladestation an, die eine Entnahmevorrichtung zum Entladen des Bauelements aus der Ladeeinheit aufweist.
Die Heizstation weist bevorzugt einen Industriebrenner mit einer Heizleistung von 5 kW bis 150 kW, besonders bevorzugt von 10 kW bis 50 kW auf, um die geforderten Aufheizraten zu realisieren. Der Industriebrenner wird bevorzugt mittels brennbarer Gase, wie Erdgas oder Stadtgas, oder brennbarer Flüssigkeiten, wie Heizöl, betrieben. Der Industriebrenner wird bevorzugt schwenkbar gegenüber der Oberfläche des zu prüfenden Bauelementes angebracht, so dass beliebige Winkelanordnungen zwischen der Flamme beziehungsweise dem heißen Rauchgasstrom des Industriebrenners und der Oberfläche des Bauelements eingenommen werden können.
Die Fläche des vom Industriebrenner beheizten Bereichs ist bevorzugt mindestens genauso groß wie die zu heizende Oberfläche des Bauelements. Die Fläche des vom Industriebrenner beheizten Bereichs kann bevorzugt durch den Einsatz mehrerer Industriebrenner skaliert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist bevorzugt eine Ladeeinheit mit Anschlüssen und mindestens einem Gebläse auf.
In einer einfachen Ausführung ist das Gebläse in der Kühlstation über dem Bauelement angebracht und lenkt einen Gasstrom auf das erhitzte Bauelement. Als Gas werden bevorzugt Luft oder inerte Gase, wie Stickstoff, besonders bevorzugt Gase mit einer Temperatur von 10 bis 50 'Ό, verwendet.
Verfügt ein volumetrisches keramisches Bauelement über nach außen verbundene Hohlräume, wird das Bauelement bevorzugt durch Saugen eines Gasstroms durch die Hohlräume erhitzt oder gekühlt. Mittels Anschlüssen in der Ladeeinheit, die einseitig mit den Hohlräumen verbunden sind, wird der Gasstrom durch das Bauelement geführt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Gebläse in Form eines Saugzugs fest mit der Ladeeinheit verbunden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere Gebläse in Form von Saugzügen in der Heizstation und in der Kühlstation vorhanden. Die Saugzüge sind über die Ladeeinheit mit den Hohlräumen des Bauelements verbunden. In der Heizstation kann mit dem Saugzug das heiße Rauchgas des Industriebrenners durch die Hohlräume des Bauelements gesaugt werden. Das Bauelement wird damit effizient erhitzt. In der Kühlstation kann mit dem Saugzug ein kalter Gasstrom durch die Hohlräume des Bauelements gesaugt werden. Das Bauelement wird damit effizient gekühlt. Die Geschwindigkeit des Heiz- oder Abkühlvorgangs des Bauelements wird über die Menge des Gasstroms gesteuert.
Die Vorrichtung enthält in der Ladeeinheit und/oder am zu prüfenden Bauelement bevorzugt mindestens einen Temperatursensor, besonders bevorzugt ein Thermoelement. Der Temperatursensor ermöglicht die Messung der Temperatur des Bauelementes und/oder der Gasaustrittstemperatur, des das Bauelement durchströmenden Gases und kann zur Überwachung des Prozesses verwendet werden.
Beim gegenwärtigen Stand der Technik werden die solarthermischen Turmkraftwerke über die Gasaustrittstemperatur geführt. Diese Betriebsführung wird durch die erfindungsgemäße Anordnung nachgebildet. Denkbar ist aber alternativ auch eine Betriebsführung über die Oberflächentemperatur, die beispielsweise pyrometrisch oder mittels Wärmebildkamera ermittelt werden kann.
Die Heizstation enthält bevorzugt mindestens ein Pyrometer und/oder mindestens eine Wärmebildkamera zur Messung der Temperatur und/oder der Temperaturverteilung der Oberfläche des Bauelements bei der Erhitzung.
Mindestens eine Kühlstation enthält bevorzugt mindestens ein Mikrofon zur Messung der Rissbildung während der Abkühlphase. Eine Rissbildung in einem keramischen Bauelement äußert sich durch knackende oder knisternde Geräusche.
Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung der Vorrichtung zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements, bevorzugt eines Hochtemperaturwärmetauschers und/oder eines Solarabsorber-Bauelements.
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.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 den Verlauf der Temperatur der Oberfläche (9) eines Solarabsorber- Bauelements (1 ) während der einzelnen Verfahrensschritte.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der Ladestation werden vier Solarabsorber- Bauelemente (1 ) in eine Ladeeinheit (2) eingesetzt (1 1 ). In Figur 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 Figur 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.
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).
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.
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 1 100 °C bis 1350 °C geheizt. Anschließend wird die Temperatur der Oberfläche (9) für 1 min bis 2 min im Bereich von 1 100 °C bis 1350 °C konstant gehalten.
Die Heizstation verfügt je zu prüfendem Solarabsorber-Bauelement (1 ) über eine Wärmebildkamera (6), von denen zwei in der Figur 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.
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 <€/min auf eine Temperatur von 500 'Ό bis 800 °C abgekühlt. Die Geschwindigkeit des Abkühlvorgangs wird über die Menge des Luftstroms gesteuert.
In der Kühlstation (I) ist je Solarabsorber-Bauelement (1 ) ein Mikrofon (7) angebracht, von denen zwei in Figur 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 äu ßert sich durch knackende oder knisternde Geräusche.
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.
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.
Das Aufheizen der Oberfläche des Solarabsorber-Bauelements mit 225 <ΌΛηίη bis 275 <€Ληίη auf Temperaturen von 1 100 °C bis 1350 °C und Abkühlen mit 150 <€Ληίη bis 350 <ΌΛηίη auf eine Temperatur von 500 'Ό bis 800 'Ό entspricht einer Prüfung des Bauelements über den Verwendungsbereich im solarthermischen Kraftwerk hinaus. Das Testverfahren gewährleistet die volle Funktionsfähigkeit des Bauelements in der späteren Anwendung.
Figur 2 zeigt den Verlauf der Temperatur der Oberfläche (9) eines Solarabsorber- Bauelements während des Heiz- und Abkühlungsprozesses aus Figur 1 . In der Heizstation wird die Oberfläche (9) des Solarabsorber-Bauelements mit 225 °C/min bis 275 <ΌΛηίη, innerhalb von 3 min bis 5 min, auf Temperaturen von 1 100 °C bis 1350 °C geheizt. Anschließend wird die Temperatur der Oberfläche (9) für 1 min bis 2 min im Bereich von 1 100 °C bis 1350 'Ό konstant gehalten. Die an den Temperatursensoren gemessenen Gasaustrittstemperaturen (5) liegen um 200^ bis 300 'Ό unter den Temperaturen der Oberfläche (9) der Bauelemente (1 ). In der ersten Kühlstation (I) wird die heiße Oberfläche (9) des Solarabsorber- Bauelements durch einen Luftstrom mit 150 <ΌΛηίη bis 350 °C/min, innerhalb von 2 min bis 3 min, auf eine Temperatur von 500 'Ό 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 ).
In Kühlstation (II) und Kühlstation (III) wird die Temperatur des Solarabsorber- Bauelements auf eine Raumtemperatur von 20 'Ό bis 30 °C abgekühlt.
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
(1 1 ) Richtung des Einsetzens von (1 ) in (2) (12) Richtung der Entnahme von (1 ) aus (2)
(13) Absorbertrichter zur Aufnahme jeweils eines Solarabsorber-Bauelements (1 )

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements, wobei: a. mindestens ein Bauelement (1 ) in eine Ladeeinheit (2) eingesetzt wird, b. das Bauelement (1 ) mit der Ladeeinheit (2) in eine Heizstation gefahren und flächig, mittels eines Industriebrenners (3) mit 150 °C/min bis 350 °C/min auf eine Temperatur von 1 100 °C bis 1350 °C erhitzt wird, c. das aufgeheizte Bauelement mit 150 <ΌΛηίη bis 350 <ΌΛηίη auf eine Temperatur von 500 'Ό bis 800 °C gekühlt wird, wobei das Bauelement während und/oder nach der Abkühlphase auf Rissbildung untersucht wird, d. das Bauelement in mindestens einer weiteren Stufe auf eine Raumtemperatur von 10 ^ bis 40 °C gekühlt und dann entladen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Bauelement bevorzugt mit 225 <ΌΛηίη bis 275 °C/min auf eine Temperatur von 1 100 °C bis 1350 °C erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauelement mindestens einseitig erhitzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Temperatur der Oberfläche (9) des Bauelements (1 ) beim Erhitzen und in der Haltezeit im Schritt (b) mit mindestens einer Wärmebildkamera und/oder mit mindestens einem Pyrometer (6) gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rissbildung im Bauelement während des Abkühlvorgangs im Schritt (c) akustisch gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Abkühlung des Bauelements in den Schritten (c) und (d) mittels eines Gasstroms erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Aufheizen und/oder das Abkühlen des Bauelements (1 ) linear, stufenförmig oder gepulst und/oder alternierend erfolgt.
8. Vorrichtung zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements (1 ), umfassend: a. Ladestation, die mindestens eine Ladeeinheit (2) zur Aufnahme von mindestens einem zu prüfenden Bauelement (1 ) aufweist, b. Heizstation nach der Ladestation, die mindestens einen Industriebrenner (3) zur Erhitzung des Bauelements (1 ) oder zur Erhitzung von Gas, mit dem das Bauelement (1 ) beaufschlagt wird, aufweist, c. Kühlstation nach der Heizstation, die mindestens eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des aufgeheizten Bauelements (1 ) aufweist, d. Entladestation nach der Kühlstation, die mindestens eine Entnahmevorrichtung zum Entladen des Bauelements (1 ) aus der Ladeeinheit (2) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Industriebrenner (3) eine Heizleistung von 5 kW bis 150 kW, bevorzugt von 10 kW bis 50 kW, aufweist und der bevorzugt mittels brennbarer Gase oder Flüssigkeiten betrieben wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, die in der Ladeeinheit (2) Anschlüsse und mindestens ein Gebläse (4) aufweist und bei volumetrischen keramischen Bauelementen heißes und/oder kaltes Gas durch das Bauelement saugt oder bläst.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die in der Ladeeinheit (2) und/oder am zu prüfenden Bauelement (1 ) mindestens einen Temperatursensor je Bauelement (5), bevorzugt ein Thermoelement, zur Messung der Gasaustrittstemperatur des Bauelements und/oder des durchströmenden Gases enthält.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , die in der Heizstation mindestens ein Pyrometer und/oder mindestens eine Wärmebildkamera (6) zur Messung der Temperatur und/oder der Temperaturverteilung der Oberfläche (9) des Bauelements bei und/oder nach der Erhitzung enthält.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die in der Abkühlstation mindestens ein Mikrofon (7) zur Messung der Rissbildung während der Abkühlphase enthält.
14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 zum Testen eines thermisch hochbelastbaren, keramischen Bauelements (1 ), bevorzugt eines Hochtemperaturwärmetauschers und/oder eines Solarabsorber- Bauelements.
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