RADICT: Reduzierte, echtzeitfähige Modelle zur Vorhersage der Lebensdauer nachhaltig beheizter Strahlheizrohre (Real-Time Radiant Tube Lifetime Prediction)
Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) im Zeitraum 01. April 2026 – 31. März 2029
Projektbeschreibung
Strahlheizrohre (SHR) sind Ofenkomponenten, die bei der Beheizung von Prozessen im Hochtemperaturbereich zum Einsatz kommen. Im SHR werden Brenner oder elektrische Heizeinsätze eingebaut, die die Prozesswärme erzeugen und über das Rohr an den Ofen abgeben. Das SHR trennt dabei klassischerweise primär die Ofenraumatmosphäre von der im SHR befindlichen Verbrennungsatmosphäre. Die Beheizung von SHR mit Wasserstoff wird in aktuellen F&E‑Vorhaben im industriellen Maßstab demonstriert. Neben der elektrischen Beheizung der SHR stellt diese Methode eine Option das, den Ofen CO2-neutral zu beheizen.
Im Falle der elektrischen Beheizung stellt das SHR einen Schutz bzw. die mechanische Stabilität des Heizeinsatzes sicher, zum Beispiel bei einem Bandabriss in einer Glühlinie für Stahlband. Die Trennung der Heizelemente von der Prozessatmosphäre ist ein weiterer erwünschter Effekt. Für die Strahlheizrohre mit dauerhaft sehr hohen Einsatztemperaturen kommen nahezu unabhängig von der Beheizungsart hochwarmfeste und korrosionsbeständige Werkstoffe zur Anwendung, beispielsweise die Knetlegierung 2.4633 (Nicrofer 6025 HT, Alloy 602) oder die Stahlgusslegierung 1.4848, die im Rahmen dieses Vor-habens untersucht werden sollen.
Durch das sich einstellende Temperaturfeld wird eine Verteilung der Beanspruchung sowie der Schädigung induziert, die wiederum mit Hilfe von Materialmodellen sowie numerischen Verfahren, wie bspw. der FEM (Strukturmechanik) oder Finiten Volumen Methode (FVM, CFD) berechnet werden kann. Die folgenden Ausführungen beleuchten zunächst die Echtzeitfähigkeit dieser Verfahren. Im Anschluss folgen Ausführungen zum aktuellen Forschungsstand in Bezug auf das Materialverhalten unter den skizzierten Temperaturwechseln als auch über die Vorarbeiten und den Stand der Technik in Bezug auf die numerische bzw. simulative Abbildung.
Projektziele
Übergeordnetes Ziel des Projekts ist es, einen digitalen Zwilling eines Strahlheizrohres zur Lebensdauervorhersage in Echtzeit unter verschiedenen Betriebszuständen – elektrisch, sowie mit Wasserstoff beheizt – zu entwickeln. Im Folgenden werden die verschiedenen, teilweise voneinander unabhängigen Teilziele aufgelistet:
- Erweiterung der Datenbasis zum Kriechverhalten ausgewählter Hochtemperaturwerkstoffe unter H2-Abgasatmosphären und Aufbau eines Materialmodells
- Entwicklung von Modellreduktionsansätzen für die schnelle, aber detaillierte Vorhersage von Temperatur, Struktur und Material (Abstraktion, Meta-Modelle, Beanspruchungs-Histogramme, Machine-Learning, data-driven-methods)
- Übertragung der Versuchsergebnisse an Laborproben auf den realen Bauteilfall anhand einer Hohlprobengeometrie mit Ausbildung eines thermischen Gradienten
- Entwicklung und Umsetzung von Konzepten zum Aufbau einer Echtzeitsimulationslösung im Labormaßstab unter Nutzung thermischer Modellierung und des Materialmodells
- Entwicklung eines Workflows zur Umsetzung des Konzepts für reale Bauteile sowie zeitlich und örtlich variierende Temperaturfelder
- Validierung des Konzepts anhand von Versuchen am vorhandenen Stahlheizrohrprüfstand
Kontakt
Matthias Sanders, M.Sc.
+49 241 80–26067
Förderung
Das Projekt (Vorhaben Nr. 01IF24907N) wurde mit Unterstützung der Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. (FOGI) über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) eingereicht. Es wurde über den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und ‑entwicklung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages finanziell gefördert.