Elektromagnetische Felder in der Verfahrenstechnik

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Die Sicherung unseres Energiebedarfs in Zeiten des Klimawandels und knapper werdender fossiler Energieträger ist eine der großen Herausforderungen der heutigen Zeit und daher auch ein wichtiges Geschäftsfeld am Fraunhofer IGB. Eine der zentralen Aufgabenstellungen, der sich auch das Fraunhofer IGB annimmt, ist die Steigerung der Energieeffizienz, beispielsweise durch energiesparende Technologien.

In der Industrie stellt die Erwärmung bzw. der Wärmeeintrag einen wesentlichen Energieverbrauch dar. Für die Übertragung der Wärme, beispielsweise für einen Pyrolyse-Prozess, stehen konventionell drei Möglichkeiten zur Verfügung: Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung. Eine weitere Option stellt die direkte Anregung von Molekülen durch elektromagnetische Felder dar. Für verfahrenstechnische Prozesse bieten sich daher für einen schnellen und effizienten Energieeintrag Mikrowellen besonders an.

Forschungsthemen

Effizienter Energieeintrag durch Mikrowellen-Technologie

Im Vordergrund unserer Forschung steht die Anwendung elektromagnetischer Felder für den effizienten und gezielten Eintrag von Energie in verfahrenstechnischen Prozessen, beispielsweise zur Konservierung flüssiger Lebensmittel oder auch für die Entsorgung von Abfällen.

Wissenswertes

Volumetrischer Erwärmung  
Bild 1: Vergleich zwischen konventioneller Erwärmung z. B. durch Konvektion (links) und volumetrischer Erwärmung durch Mikrowellen (rechts) am Beispiel eines flachen Materials.

Was sind Mikrowellen?

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen zwischen Radio- und Infrarotwellen. Sie weisen wesentlich geringere Frequenzen als Röntgenstrahlung und ultraviolettes Licht auf. Sie tragen Energie aus einer elektrischen Quelle direkt in einen Stoff ein.

Was bewirken Mikrowellen?

Trifft eine Mikrowelle auf Materie, sind drei physikalische Effekte die Folge: Absorption, Transmission und Reflexion. Eine Masse aus polaren Atomen oder Molekülen absorbiert die Welle, wodurch sie sich bewegen. Die dadurch entstehende Reibung erzeugt Wärme.

Direkter Energieeintrag mit Mikrowellen

Die geringe Frequenz der Mikrowellen hat zur Folge, dass Mikrowellen ein Produkt nicht chemisch beschädigen. Vielmehr übertragen Mikrowellen die Energie direkt auf das Produkt, während konventionelle Energiequellen über Wärmeleitung oder Konvektion die Energie indirekt übertragen.

Volumetrische Erwärmung

Mikrowellen durchdringen ein Produkt gleichmäßig über das gesamte Massenvolumen und aktivieren dort das dielektrische Material. Moleküle im Inneren des Körpers können die durch die Schwingungen erzeugte Energie nicht abführen, was zu einem raschen Temperaturanstieg im Inneren führt. Moleküle, die sich näher an der Körperoberfläche befinden, können diese Energie nach außen abgeben. Daher ist bei einem solchen Heizprozess die Kerntemperatur eines Körpers höher als die Oberflächentemperatur. Dieser Effekt wird volumetrische Erwärmung genannt. Bild 1 zeigt eine Simulation dieses Effekts.

Projekte

ElectroClean – Elektrostatische Oberflächenreinigung

  • Ziel des EU-Projekts ElectroClean am Fraunhofer IGB ist daher die Entwicklung eines tragbaren Reinigungsgeräts, mit dem die unerwünschten und gesundheitsschädlichen Feinstaubpartikel nicht nur effektiv von den Produktoberflächen entfernt, sondern auch effizient aufgefangen und zuverlässig eingesammelt werden können.

Flächige UV-Lichtquelle für die Entkeimung von Wasser

  • In Zusammenarbeit mit einem europäischen Industriepartner hat das Fraunhofer IGB eine neuartige Hochleistungs-UV-Lichtquelle entwickelt, bei der das UV-Licht aus einem Plasma emittiert wird, welches über Mikrowellen angeregt wird. Die Lampe eignet sich zur Entkeimung von Wasser.

FurnitReuse

  • Entwicklung einer innovativen Methode für das Recycling gebrauchter Pressspanmöbel und Kunststoffen, indem neue, umweltfreundliche Verbundmaterialen hergestellt werden

MicroCleanMud

  • Mikrowellenreinigung von Bohrschlamm und Öl

MicroDry

  • Mikrowellentrocknung für die schnelle Sanierung von überfluteten Gebäuden

MicroMelt

MicroMilk

  • Das Fraunhofer IGB entwickelt innerhalb des europäischen Konsortiums ein neuartiges Konzept zur Milchpasteurisierung auf der Basis von Mikrowellen.

Leistungen

Wir bieten Ihnen die komplette Umsetzung einer Mikrowellenanwendung, beginnend mit der Prozessdefinition, über die Labordemonstration und ein Ausführungskonzept bis hin zum Prototypen oder einer Anlage.

Unsere Leistungen für die Prozess- und Komponenten-Entwicklung beginnen mit Untersuchungen und Analysen im Labormaßstab und reichen über die Simulation und Modellierung bis hin zur Konstruktion und Systemintegration in industrielle Applikationen.

Für die konstruktive Ausarbeitung technischer Lösungen steht uns aktuelle 3-D-CAD-Konstruktionssoftware zur Verfügung. Diese ist über eine Datenschnittstelle direkt mit verschiedenen numerischen Simulationsprogrammen verknüpft. Hier kommen Programme für die theoretische Voruntersuchung mehrphasiger Prozesse wie dem Verhalten von Feststoffpartikeln in einer Fluidströmung zum Einsatz ebenso wie Software für die Berechnung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern in Räumen und die Auslegung von Antennen zu deren Erzeugung.

Ausstattung

Demonstrationsanlage 
Demonstrationsanlage.

Für die Auslegung und Entwicklung eines elektromagnetisch kompatiblen Systems für die Verfahrenstechnik setzen wir Software-Programme zur Simulation der elektromagnetischen Felder kombiniert mit 3-D-Konstruktionssoftware ein.

Unser Labor verfügt über Demonstrationsanlagen, um die Wirkungsweise von Mikrowellen in der Verfahrenstechnik zu demonstrieren.

Publikationen