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Dr.-Ing. Volker Uhlig
TU Bergakademie Freiberg | Institute of Thermal Engineering | Chair of Gas and Heat Technology | Gustav-Zeuner-Str. 7 | 09599 Freiberg | Germany
Phone: +49 3731 39 2177 | Fax: +49 3731 39 3942 I [email protected] | www.gwa.tu-freiberg.de
Mikrowellengestütztes Schmelzen von Glas im
Development of adaptive ProductioN systems for Eco-efficient firing processes
Mikrowellen (MW) sind elektromagnetische Strahlen im Wellenlängenbereich zwischen 300 MHz und 300 GHz. Als Haushaltsgeräte sind Mikrowellenöfen weit verbreitet
und die Vorteile der Mikrowellenerwärmung sind den meisten Personen bekannt. Mikrowellenstrahlung durchdringt Materie und erwärmt sie von innen – es erfolgt also keine
Übertragung der Energie von heiß zu kalt, die Energie wird im Stoff in Wärme umgewandelt. Weiterhin können sehr hohe Energiedichten erreicht werden. Dadurch sind
Mikrowellenöfen in der Lage, verschiedenste Materialien sehr schnell auf hohe Temperaturen zu erwärmen.
Die Einsatzgebiete von Mikrowellen in der Thermoprozesstechnik sind vielfältig. Neben den typischen und bekannten Anwendungen in der Haushaltsmikrowelle finden
Mikrowellenöfen auch in der Lebensmittelindustrie verbreitet Anwendung, zum Beispiel beim Trocknen und Pasteurisieren von Nahrungsmitteln. Auf ähnliche Art und Weise
werden Mikrowellen eingesetzt, um Holz und Holzprodukte schnell zu trocknen. Von zunehmender Bedeutung sind Mikrowellen bei der Produktion von Keramiken: Zum
Beispiel bei der Herstellung Partikelfiltern oder der Entbinderung von Keramikgrünlingen. Mikrowellengeneratoren werden außerdem auch als Plasmaquellen eingesetzt.
Das Team der TU Freiberg möchte sich bei allen Partnern für die gute Zusammenarbeit bedanken. Ein besonderer Dank geht an die CelSian Glass & Solar BV für die
Bereitstellung von Daten. Das Team dankt der Europäischen Kommission für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit im Rahmen des Seventh Framework Programme.
Projekt DAPhNE grant agreement n° 314636.
Einleitung
Projekt DAPhNE
Versuchsanlage
Danksagung
Ergebnisse
Impressionen
Abbildung 2 – Spezifischer Energieverbrauch verschiedener Glasschmelzanlagen in Abhängigkeit vom Durchsatz,
nach Dorn et al. 2016, DOI 10.1007/s00550-016-0394-7
Projekt „DAPhNE“
Die Vorteile der Mikrowellentechnologie wurden im europäischen
Forschungsprojekt „DAPhNE“ ausgenutzt, um verschiedene oxydische Rohstoffe,
darunter Glasgemenge, in einer innovativen Anlage zu schmelzen. Ziel war die
Reduzierung von Energieverbrauch und direkten CO2-Emissionen. Im Projekt
arbeiteten 18 Partner aus 7 Ländern zusammen an der Entwicklung eines
Prototypen, der mehrere Materialien (Glas, Fritten für die Fliesenglasur,
Schlackenzement, Portlandzement und Kaolin) verarbeiten konnte. Der Einsatz
von Mikrowellen für Prozesstemperaturen über 1000°C war zum damaligen
Zeitpunkt noch kaum erforscht.
Nach der Entwicklung und Erprobung der Laboranlage in Freiberg und Valencia
(Spanien) wurde ein deutlich vergrößerter und verbesserter Demonstrator gebaut
und in Castellon (Spanien) in Betrieb genommen und umfangreich getestet. Die
Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu Anlagen mit ähnlichem Materialdurchsatz
Energieeinsparungen bis zu 90% realisiert werden können.
Abbildung 1 – Schematischer Aufbau der Anlage (oben) und Aufnahmen des Laborprototypen
Material-
auslass
Netzteil
Magnetron Isolator Reflekto-
meter
Material-
zufuhr
Gasauslass,
Materialeinlass
Material
Mikrowellen
-applikatorHohlleiter-
übergang
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
spez
ifis
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J/t
Pro
du
kt
Durchsatz in t/d
Theor. Min. 0% Scherben Theor. Min. 100% Scherben Datenbank
Literatur MW Demonstrator MW Laboranlage
Abbildung 3 – Links: Portlandzementklinker im Drehrohrversuch. Rechts: Geschmolzenes Glas an der Austrittsöffnung
Abbildung 5 – Links: Vertreter der TU Freiberg und anderer Partner beim Deutschen Nachhaltigkeitspreis. 2016 erreichte das
Projekt DAPhNE eine Platzierung unter den Top 3 beim Deutschen Nachhaltigkeitspreis in der Kategorie Forschung. Rechts:
Siegel des Deutschen Nachhaltigkeitspreises.
Laboranlage Demonstrator
Frequenz in GHz 2,45 00,915
MW-Leistung in kW 3 30
Durchsatz in kg/h 1 10
Tabelle 1: Parameter der Laboranlage und des Demonstrators im Vergleich
Abbildung 4 – Von Links nach Rechts: Gequenchte Glasur, gequenchtes Behälterglas, durch Thermoschock beschädigtes
Korundrohr, durch Überhitzung beschädigter Dreistifttuner am Demonstrator
