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    Projektabschlussbericht zum "Teilvorhaben Korrosionsverhalten" (FKZ 0325497B (MPA) + FKZ 0325497A (DLR)) des Verbundvorhabens "MS-Store - Flüssigsalzspeicher-Testanlage und neue Fluide"
    (2018) Kaesche, Stefanie; Rückle, Dagmar; Bauer, Thomas; Bonk, Alexander
    Ziel des Teilvorhabens „Korrosionsverhalten“ im Verbundprojekt MS-Store - Flüssigsalzspeicher-Testanlage und neue Fluide war es, Anforderungen an die zu verwendenden Werkstoffe, die durch hohe Temperaturen bei Energiespeichern in solarthermischen Kraftwerken auftreten, hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen, sowie substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Mittels Auslagerungsversuchen bei 560°C wurden die Abtragsraten für verschiedene Stähle in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmt. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; TEM; XRD) die Oxidschichtentwicklung und -beschaffenheit, die Phasenzusammensetzung der Oxidschicht, die Gefügestruktur des Grundwerkstoffs, sowie der erfolgte korrosive Angriff analysiert. Mittels elektrochemischer Prüfmethoden (OCP, IE, EIS) wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560°C und in Abhängigkeit der Reinheit der Salzschmelze analysiert, sowie die Stabilität der Oxidschichten evaluiert. Es zeigte sich eine eindeutige Überlegenheit der Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle gegenüber des hochwarmfesten Cr-Stahls, speziell in Salzschmelzen die Chloridgehalte ab 0,5 Gew.-% aufweisen. Weiterhin ließ sich eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachweisen; die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher, als bei 560°C. Die mehrlagigen Oxidschichten bestehen aus Cr,Fe-Mischoxiden, sowie reinen Cr-/Fe-Oxiden. Sie weisen eine hohe Porosität, sowie eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Nach langer Auslagerung entstehen zusätzlich Na,Fe-reiche Oxide. Im Grundmaterial bildeten sich durch Stickstoffeintrag aus der Salzschmelze an den Korngrenzen oder auch im kompletten Gefüge Gefügeveränderungen, in Form von Cr-Nitriden. Neuartige elektrochemische Untersuchungen in Nitratsalzschmelzen bei hohen Temperaturen wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) durchgeführt. Dabei wurde die Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von Temperatur, Salzreinheit und Beschaffenheit und Stabilität der Oxidschichten ermittelt. EIS eignet sich sehr gut, um schnell fundierte Aussagen über ein vorliegendes Korrosionssystem zu treffen und kann auch in anderen Schmelzen, sowie anderen Werkstoffen oder Parametern eingesetzt werden. Die quantitative Auswertung dieser Messmethode ist sehr komplex und benötigt anwendungsbasierte Weiterentwicklung. Dennoch konnte das Auftreten des Breakaway-Effektes mittels dieser Methodik bestätigt werden. Außerdem wurde die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt, sowie Änderungen im Nitrat/Nitrit-Verhältnis, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet. Diese Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Schmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Die im Verlauf des Teilvorhabens gewonnenen Erkenntnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen deutlich. Sie ermöglichen eine gezielte Materialauswahl für Planer und Konstrukteure von solarthermischen Kraftwerken.
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    Impact of wind pressure coefficients on the natural ventilation effectiveness of buildings through simulations
    (2024) Sakiyama, Nayara Rodrigues Marques; Carlo, Joyce Correna; Sakiyama, Felipe Isamu Harger; Abdessemed, Nadir; Frick, Jürgen; Garrecht, Harald
    Natural Ventilation Effectiveness (NVE) is a performance metric that quantifies when outdoor airflows can be used as a cooling strategy to achieve indoor thermal comfort. Based on standard ventilation threshold and building energy simulation (BES) models, the NVE relates available and required airflows to quantify the usefulness of natural ventilation (NV) through design and building evaluation. Since wind is a significant driving force for ventilation, wind pressure coefficients (Cp) represent a critical boundary condition when assessing building airflows. Therefore, this paper investigates the impact of different Cp sources on wind-driven NVE results to see how sensitive the metric is to this variable. For that, an experimental house and a measurement period were used to develop and calibrate the initial BES model. Four Cp sources are considered: an analytical model from the BES software (i), surface-averaged Cp values for building windows that were calculated with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using OpenFOAM through a cloud-based platform (iia,b,c), and two databases-AIVC (iii) and Tokyo Polytechnic University (TPU) (iv). The results show a variance among the Cp sources, which directly impacts airflow predictions; however, its effect on the performance metric was relatively small. The variation in the NVE outcomes with different Cp’s was 3% at most, and the assessed building could be naturally ventilated around 75% of the investigated time on the first floor and 60% in the ground floor spaces.
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    ItemOpen Access
    Microstructure-based lifetime assessment of austenitic steel AISI 347 in view of fatigue, environmental conditions and NDT
    (2021) Acosta, Ruth; Heckmann, Klaus; Sievers, Jürgen; Schopf, Tim; Bill, Tobias; Starke, Peter; Donnerbauer, Kai; Lücker, Lukas; Walther, Frank; Boller, Christian
    The assessment of metallic materials used in power plants’ piping represents a big challenge due to the thermal transients and the environmental conditions to which they are exposed. At present, a lack of information related to degradation mechanisms in structures and materials is covered by safety factors in its design, and in some cases, the replacement of components is prescribed after a determined period of time without knowledge of the true degree of degradation. In the collaborative project “Microstructure-based assessment of maximum service life of nuclear materials and components exposed to corrosion and fatigue (MibaLeb)”, a methodology for the assessment of materials’ degradation is being developed, which combines the use of NDT techniques for materials characterization, an optimized fatigue lifetime analysis using short time evaluation procedures (STEPs) and numerical simulations. In this investigation, the AISI 347 (X6CrNiNb18-10) is being analyzed at different conditions in order to validate the methodology. Besides microstructural analysis, tensile and fatigue tests, all to characterize the material, a pressurized hot water pipe exposed to a series of flow conditions will be evaluated in terms of full-scale testing as well as prognostic evaluation, where the latter will be based on the materials’ data generated, which should prognose changes in the material’s condition, specifically in a pre-cracked stage. This paper provides an overview of the program, while the more material’s related aspects are presented in the subsequent paper.