Entwicklung eines Simulationswerkzeugs für die porenskalige Berechnung der Energiedissipation bei der Mikrowellenerwärmung

Um die Emissionsziele bis 2045 zu erreichen, sind insbesondere im Bereich der energieintensiven Industrieprozesse, in welchen thermische Energie derzeit hauptsächlich durch Verbrennung fossiler Energieträger bereitgestellt wird, Anpassungen und Innovationen der bestehenden Technologien und Prozesse notwendig. Eine Möglichkeit, um die Treibhausgasemissionen zu senken und gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren, stellt die Mikrowellenerwärmung dar, welche eine vollständige Elektrifizierung auf Grundlage von erneuerbaren Energien ermöglicht. Sie steht für vielfältige thermische Prozesse, auch im Hochtemperaturbereich (Trocknung, Kristallisation, Katalyse, Schmelzen, Sintern, Eisenreduktion, Pyrolyse, Verdampfen, …) zur Verfügung, hat jedoch in den meisten verfahrenstechnischen Anwendungen einen niedrigen technischen Entwicklungsgrad. Bei der Mikrowellenerwärmung wird Wärme im Produkt in Abhängigkeit der Verteilung der elektromagnetischen Feldstärke und der dielektrischen Produkteigenschaften dissipiert. Die Energiedissipation ist vor allem in Produkten mit hohen dielektrischen Verlustfaktoren, z.B. wasserhaltigen Materialien, sehr effizient. In thermisch dicken Materialien, in welchen das Wasser auch örtlich inhomogen verteilt vorliegen kann, kann die Energiedissipation zu sogenannten hot spots führen. In diesen lokal begrenzten Bereichen kann die Temperatur extrem schnell ansteigen. Dies kann in Prozessen, wie der Pyrolyse, von Vorteil sein. Bei der Trocknung mechanisch anspruchsvoller Materialien hingegen, kann dies zu ungewünschten Produktschädigungen führen. In der Literatur sind hierfür bisher keine Modelle beschrieben, welche die Mikrowellenerwärmung porenskalig berücksichtigen. Um ein besseres Verständnis für die Temperaturverteilung auf der Porenebene zu generieren, soll ein nicht-isothermes 3D-Porennetzwerkmodell (PNM) mit inneren Energiequellen- und Senken in MATLAB erstellt werden, welches die Produktstruktur sowie die örtlich verteilte Wasserbeladung berücksichtigt.

Development of a simulation tool for pore-scale calculation of energy dissipation during microwave heating

In order to achieve the emission targets by 2045, adjustments and innovations to existing technologies and processes are necessary, particularly in the area of energy-intensive industrial processes, where thermal energy is currently mainly provided by the combustion of fossil fuels. One way to reduce greenhouse gas emissions while also reducing overall energy consumption is microwave heating, which enables complete electrification based on renewable energies. It can be used for a wide range of thermal processes, including those involving high temperatures (drying, crystallization, catalysis, melting, sintering, iron reduction, pyrolysis, evaporation, etc.), but in most process engineering applications it has a low level of technical development. In microwave heating, heat is dissipated in the product depending on the distribution of the electromagnetic field strength and the dielectric properties of the product. Energy dissipation is particularly efficient in products with high dielectric loss factors, e.g., water-containing materials. In thermally thick materials, in which water can also be distributed in a locally inhomogeneous manner, energy dissipation can lead to so-called hot spots. In these locally limited areas, the temperature can rise extremely quickly. This can be advantageous in processes such as pyrolysis. When drying mechanically demanding materials, however, this can lead to undesirable product damage. To date, no models have been described in the literature that take microwave heating at the pore scale into account. In order to generate a better understanding of the temperature distribution at the pore level, a non-isothermal 3D pore network model (PNM) with internal energy sources and sinks is to be created in MATLAB, which takes into account the product structure and the locally distributed water load.