Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kosteneffiziente Verbesserung der Wärmedämmung von Vakuumöfen

Durch eine Kombination von Wärmedämmstoffen aus Graphitfilzen mit oxidischen Materialien sollen die Wärmedurchgangsverluste von Vakuumöfen, insbesondere bei kontinuierlich arbeitenden Anlagen, reduziert werden, ohne dass die Baugröße der Industrieofenanlagen sich erhöht. Oxidische Wärmedämmstoffe besitzen eine geringere Wärmeleitfähigkeit und sind kostengünstiger als die Graphitfilze. Es werden allerdings Veränderungen bei der Restgaszusammensetzung und eine Erhöhung der Auspumpzeit der Vakuumkammern erwartet. Außerdem besteht das Risiko von Kontaktreaktionen zwischen den Dämmstoffen.

Das Entgasungsverhalten der Wärmedämmstoffe wird in einer unbeheizten Vakuumkammer untersucht. In einem Elektroofen werden geeignete Materialkombinationen auf Kontaktkorrosion bei verschiedenen Arbeitstemperaturen untersucht. Bei allen Vakuumversuchen werden Restgasanalysen durchgeführt, um Einflüsse der Oxidkeramik auf die Ofenatmosphäre und damit auf die späteren Prozesse festzustellen.

Eine gefundene effiziente Dämmungsvariante wird in einer Kammer im Technikum eines Industrieunternehmens unter praxisnahen Bedingungen und im Vergleich mit einer rein graphitischen Wärmedämmung getestet.

Die Ergebnisse der zeit- und materialaufwendigen Untersuchungen ermöglichen es den vielen KMU des Industrieofenbaus, kompakte Vakuumöfen mit außergewöhnlich hoher Energieeffizienz zu bauen. Verringerungen des stationären Wandverlusts bei Anlagen mit vorwiegend stationärer Betriebsweise um 30 – 50% sind realisierbar, dabei ist eine Kostensenkung durch Materialsubstitution für die Öfen um 5 % bei Neuanlagen möglich. Im Ersatzgeschäft der Wärmedämmungen werden Verringerungen der Materialkosten um 30 bis 50 % erwartet. Das Forschungsvorhaben schafft die Grundlage, dass die technischen und wirtschaftlichen Risiken der Markteinführung signifikant verringert werden. Dabei kommt der Demonstratorkammer eine besondere Bedeutung als Beweise der Praxistauglichkeit und Effizienz der gefundenen Lösung zu.

Ergebniszusammenfassung:

Die Evakuierungseigenschaften ausgewählter Oxide und Grafitdämmstoffe wurden bei 20 °C und im Hochtemperaturbereich untersucht und verglichen. Oxidische Faserdämmung und Grafitfilze haben bei Raumtemperatur ähnlich niedrige Evakuierungszeiten. Vakuumgeformte Materialien und mikroporöse Materialien benötigten bei ersten Evakuierungen deutlich mehr Zeit. Diese Dauer wird jedoch beim Fluten mit Stickstoff anstelle von Luft verkürzt und nähert sich den Werten für Grafitfilz. Es besteht eine Korrelation zwischen Evakuierungszeit und Massenverlust. Um oxidische Materialien zu identifizieren, die für eine kombinierte Grafitfilz-/Oxiddämmstoffisolierung geeignet sind, wurden weitere Tests bei hohen Temperaturen bis zur Daueranwendungstemperatur der Dämmstoffe durchgeführt. Es erfolgte eine Gegenüberstellung von Versuchen ohne Probe, der oxidischen Probe und der Kombination aus oxidischem und Grafitmaterial. Durch die vergleichenden Hochtemperatur-Evakuierungsversuche wurde die Verträglichkeit der Materialien mit Grafitfilz betrachtet. Für den unmittelbaren Vergleich der Materialien untereinander erfolgten Versuche bei 1100 °C. Der Einfluss von Stickstoff auf die Evakuierungen wird bei zyklischer Betriebsweise in Augenschein genommen. Eine kosteneffiziente Substitution von Grafitfilzen durch eine Kombination mit oxidischem Dämmstoff bei gleichbleibender Wanddicke in Vakuumöfen ist möglich. Jedoch für den Temperaturbereich über 1200 °C im Vakuum wird ein Einsatz der untersuchten oxidischen Materialien aufgrund chemischer Reaktionen an den Grenzflächen nicht empfohlen. Fasermaterialien neigen zum Entglasen, wobei das Auftreten und der Umfang der kristallinen Phasen stark von der Dauer, Temperatur und der Faserchemie, sowie dem Vorhandensein von Flussmitteln abhängen. Durch den Einsatz empfohlener kombinierter Dämmungsvarianten wird neben der Materialkostensenkung auch eine Reduzierung der Energiekosten bei entsprechender Betriebsweise möglich.