Industrieofentechnik

Ansprech­part­ner Mecha­nik: Domi­nik Büschgens

Ansprech­part­ner Ver­bren­nung: Dr.-Ing. Nico Schmitz

Ansprech­part­ner Erneu­er­ba­re Ener­gien und CO₂-arme Pro­zess­wär­me: Dr.-Ing. Chris­ti­an Schwotzer

Aktivitäten

Kern der Akti­vi­tä­ten bil­den die Pro­zess­op­ti­mie­rung und Ver­fah­rens­ent­wick­lung im Bereich der metall­ver­ar­bei­ten­den Indus­trie. Zur Stei­ge­rung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz wär­me­tech­ni­scher Anla­gen wie Indus­trie­öfen ist ein tief­grei­fen­des Ver­ständ­nis der strö­mungs- und wär­me­tech­ni­sche Vor­gän­ge essen­ti­ell. Die Pro­zes­se wer­den anhand von phy­si­ka­li­schen und nume­ri­schen Model­len unter­sucht. Dazu ist eine Viel­zahl von Warm- und Kalt­ver­suchs­stän­den vor­han­den, wel­che mit umfang­rei­cher expe­ri­men­tel­ler Mess­tech­nik aus­ge­stat­tet sind. Dane­ben kom­men empi­ri­sche und ana­ly­ti­sche Modell­bil­dung sowie Simu­la­tio­nen auf Basis von Com­pu­ta­tio­nal Flu­id Dyna­mics (CFD) zum Ein­satz. Die Kom­bi­na­ti­on aus expe­ri­men­tel­len und nume­ri­schen Unter­su­chun­gen ermög­licht dabei eine umfang­rei­che Abbil­dung der phy­si­ka­li­schen Vor­gän­ge. Die Schwer­punk­te der For­schung lie­gen in den Bereichen:

Indus­trie­ofen Aerodynamik:

• Heiß­gas­ven­ti­la­to­ren für Hochtemperaturanwendungen
• Wär­me­ein­kopp­lung in Indus­trie­öfen, direk­te (gas­be­feu­ert) oder indi­rek­te Behei­zung (gas- oder elek­trisch beheiz­te Strahlheizrohre)
• Wär­me- und Stoff­über­gangs­be­din­gun­gen an Bauteilen
• Düsen­sys­te­me für Hoch­kon­vek­ti­ons­öfen (Kam­mer­ofen, Schwe­be­band­ofen, Bolzenerwärmungsanlagen)

Pro­zess­gas­öfen:

• Opti­mie­rung von Gaswechselstrategien
• Über­wa­chung von Prozessgaswechseln
• Ent­wick­lung von Metalloxidsensoren

Ver­bren­nung:

• Bren­ner­kon­struk­ti­on und ‑opti­mie­rung
• Direct Fla­me Impinge­ment (DFI)
• Flamm­lo­se Ver­bren­nung (FLOX)
• Unters­tö­chio­me­tri­sche Ver­bren­nung zur Redu­zie­rung der Zun­der­bil­dung auf Kup­fer und Stahl
• Ver­bren­nungs­dia­gnos­tik mit OH*-Visualisierung und laser­in­du­zier­ter Fluo­res­zenz (LIF)

Model­lie­rung:

• Rekris­tal­li­sa­ti­on und Korn­wachs­tum bei Kup­fer und Messing
• Flu­id-Struk­tur-Inter­ak­ti­on, Aus­wir­kung Strö­mungs- und wär­me­tech­ni­scher Phä­no­me­ne auf Gut und Ofengehäuse
• Ver­bren­nung in ver­schie­de­nen wär­me­tech­ni­schen Anwendungen

Ein wei­te­res, noch jun­ges The­men­ge­biet sind hybri­de Behei­zungs­kon­zep­te (Hybrid Hea­ting). Ein Groß­teil der Indus­trie­öfen wird pro­zess­be­dingt mit fos­si­len Brenn­stof­fen, ins­be­son­de­re Gas, Öl oder Koh­le betrie­ben. Vor dem Hin­ter­grund der Ener­gie­wen­de sol­len kon­ven­tio­nel­le Brenn­stof­fe zuneh­mend durch Strom aus Erneu­er­ba­ren Ener­gien sub­sti­tu­iert wer­den und so zur Sta­bi­li­tät des Strom­net­zes bei­tra­gen (Power to Heat). Für die prak­ti­sche Umset­zung bedarf dies geziel­ter For­schung und die Ent­wick­lung neu­er, inno­va­ti­ver Kon­zep­te für wär­me­tech­ni­sche Anla­gen und Industrieöfen.

Aktuelle Forschungsvorhaben

Dezen­tra­le Was­ser­stoff­auf­be­rei­tung von Bio­gas durch Dampf­re­for­mie­rung — BioH2Ref (BMWK)

CO₂-neu­tra­ler Saint-Gobain Stand­ort Her­zo­gen­rath Mach­bar­keits­un­ter­su­chun­gen — COSI­Ma (progres.NRW)

Kom­bi­nier­te CO₂-Abtren­nung und Ener­gie­ein­spa­rung an Indus­trie­öfen durch Nut­zung dezen­tral erzeug­ten Rein-Sau­er­stoffs — CONDRA (BMWK)

Wär­me­über­tra­gung bei Ober­flä­chen­kon­tak­ten in Vor­wärm- und Wär­me­be­hand­lungs­pro­zes­sen (AiF IGF)

Ent­wick­lung eines schad­stoff­ar­men Ver­bren­nungs­kon­zepts für Was­ser­stoff zur Inte­gra­ti­on in Mehr­stoff­bren­ner­sys­te­me – H2MultiFuel (AiF ZIM)

Seman­ti­sche Inter­ope­ra­bi­li­tät hete­ro­ge­ner Pro­zess­mo­del­le unter Ein­bin­dung von Pro­zess­da­ten zur Qua­li­täts­ver­bes­se­rung und Ener­gie­ein­spa­rung bei gekop­pel­ten Umform- und Ther­mo­pro­zes­sen der Metall­in­dus­trie (AiF IGF)

Ver­bes­se­rung der Wär­me­über­tra­gung in Rohr­bün­del­re­ku­per­a­to­ren durch Ein­satz struk­tu­rier­ter Roh­re (AiF ZIM)

BaSys4Brenner – Ent­wick­lung einer zer­ti­fi­zier­ba­ren und Indus­trie 4.0 taug­li­chen inno­va­ti­ven Bren­ner­steue­rung auf Grund­la­ge der BaSys-Kon­zep­te (BMBF)

TTgoesH2 – Inte­gra­ti­on von Was­ser­stoff als kli­ma­neu­tra­ler Ener­gie­trä­ger in die indus­tri­el­le und gewerb­li­che Ther­mo­pro­zess­tech­nik (AiF IGF Leittechnologie)

Effi­zi­enz­ver­bes­se­rung des Kupol­o­fens durch in-line Sau­er­stoff­er­zeu­gung (AiF IGF)

Unter­su­chung zum Ein­fluss fle­xi­bler Betriebs­wei­sen von Indus­trie­öfen auf die Lebens­dau­er metal­li­scher Hoch­tem­pe­ra­tur­kom­po­nen­ten (AiF IGF)

Mehr­stu­fi­ge flamm­lo­se Oxi­da­ti­on als Bei­trag zur CO₂-neu­tra­len Pro­zess­wär­me­er­zeu­gung — FLOX‑2 (BMWK)

CO₂-neu­tra­le Pro­zess­wär­me­er­zeu­gung (Stu­die für das Umweltbundesamt)

Stei­ge­rung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz des Recy­clings orga­nik-kon­ta­mi­nier­ter Al-Schrot­te — ReOr­gAl (BMWK)

Neu­es Tun­nel­ofen­kon­zept zur Ein­spa­rung von fos­si­ler Ener­gie und CO₂ beim Bren­nen von Zie­geln (AiF IGF)

Ent­wick­lung metal­li­scher Hoch­leis­tungs­re­ku­per­a­to­ren für die Erschlie­ßung neu­er Ein­satz­ge­bie­te (AiF ZIM)

Stei­ge­rung der ther­mo­me­cha­ni­schen Sta­bi­li­tät von Quer­strom­ven­ti­la­to­ren für den Ein­satz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen (AiF IGF)

Defi­nier­te Ein­stel­lung von Wär­me­über­gangs­pro­fi­len in Sprüh­dü­sen­fel­dern zur Opti­mie­rung der Wär­me­be­hand­lung in Band­durch­lauf­an­la­gen (AiF IGF)

Ein­satz­mög­lich­kei­ten der dezen­tra­len Sau­er­stoff­er­zeu­gung an Indus­trie­öfen (AiF IGF)

Abgeschlossene Forschungsvorhaben

• Wär­me- und werk­stoff­tech­ni­sche Aus­wir­kun­gen von Was­ser­stoff­at­mo­sphä­ren bei der Wär­me­be­hand­lung (AiF IGF)
• Was­ser­stoff aus erneu­er­ba­ren Ener­gien als Brenn­stoff im Strahl­heiz­rohr — H2RadiantTube (progres.NRW Research)
• Wär­me­tech­ni­sche Cha­rak­te­ri­sie­rung von Ober­flä­chen­kon­tak­ten (AiF IGF)
• Ent­wick­lung eines neu­ar­ti­gen, fle­xi­blen Bear­bei­tungs­pro­zes­ses zur Her­stel­lung von Quarz­glas­bau­tei­len (AiF ZIM)
• Tail­o­red Hea­ting in der Warm­um­for­mung (AiF IGF)
• Ober­flä­chen­ver­grö­ße­rung und Lebens­dau­er­erhö­hung von Strahl­heiz­roh­ren durch den Ein­satz struk­tu­rier­ter Ble­che (AiF IGF)
• Rene­wa­ble resi­den­ti­al hea­ting with fast pyro­ly­sis bio-oil — Residue2Heat (EU H2020)
• Neu­es Tun­nel­ofen­kon­zept zum ener­gie­ef­fi­zi­en­ten Bren­nen von Zie­geln (AiF IGF)
• Ent­wick­lung inno­va­ti­ver rege­ne­ra­tiv beheiz­ter Strahl­heiz­roh­re für den Ein­satz in Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen mit gerin­gem Bau­raum (AiF ZIM)
• Ent­wick­lung eines inter­ak­ti­ven Char­gen­pla­nungs­sys­tems für Plas­ma­ni­trier­an­la­gen (AiF ZIM)
• Ent­wick­lung einer inno­va­ti­ven heiß-iso­sta­ti­schen Pres­se zur kom­bi­nier­ten Ver­dich­tung und Wär­me­be­hand­lung von Halb­zeu­gen und Bau­tei­len (AiF ZIM)
• Ent­wick­lung eines Reku­per­a­tors zur hybri­den Ver­bren­nungs­luft­vor­wär­mung in Indus­trie­öfen (AiF ZIM)
• Inno­va­ti­ons­fo­rum Hybrid-Hea­ting “Poten­tia­le hybri­der Behei­zungs­tech­no­lo­gien für Indus­trie­öfen als Bei­trag zur Ener­gie­wen­de” (BMBF Inno­va­ti­ons­fo­ren Mittelstand)
• Ein­fluss der Wär­me­über­tra­gung auf die Pro­zess­sta­bi­li­tät kon­ti­nu­ier­li­cher Band­an­la­gen (AiF IGF)
• Ein­fluss ther­mi­scher Last­wech­sel auf die Lebens­dau­er hoch­be­las­te­ter Ofen­kom­po­nen­ten aus metal­li­schen Hoch­tem­pe­ra­tur-Werk­stof­fen (AiF IGF)
• Ent­wick­lung eines ener­gie­ef­fi­zi­en­ten Bren­ners für Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen mit oxidationsträger/reduzierender Schutz­gas­at­mo­sphä­re (AiF ZIM)
• Ent­wick­lung von Quer­strom­ven­ti­la­to­ren für den Ein­satz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen (AiF IGF)
• Vor­rich­tung zur Mes­sung von gro­ßen Volu­men­strö­men bei hohen Ein­satz­tem­pe­ra­tu­ren in Indus­trie­öfen (AiF IGF)
• Erwei­te­rung der Ein­satz­gren­zen der FLOX-Tech­nik für klei­ne und gro­ße Bren­ner­leis­tun­gen (BMWi)
• Sta­bi­li­täts­be­trach­tun­gen für metal­li­sche Bän­der unter dem Ein­fluss von Düsen­fel­dern (AiF IGF)
• Lebens­dau­er­erhö­hung metal­li­scher rezir­ku­lie­ren­der Strahl­heiz­roh­re für Indus­trie­öfen durch die Ver­rin­ge­rung ther­mi­scher Span­nun­gen (AiF IGF)
• Ver­fah­rens­ent­wick­lung für eine zun­der­ar­me Wie­der­erwär­mung von Metall-Halb­zeu­gen (AiF IGF)
• Ent­wick­lung eines Mehr­la­gen-Kam­mer­ofens für das Press­här­ten von Blech­pla­ti­nen für den Auto­mo­bil­bau mit dem Ziel der Ver­bes­se­rung der Wirt­schaft­lich­keit (AiF ZIM)
• Vor­rich­tung zur Volu­men­strom­mes­sung bei der Hoch­kon­vek­ti­ons­wär­me­be­hand­lung (AiF IGF)
• Erhö­hung der Lebens­dau­er metal­li­scher Kom­po­nen­ten im Indus­trie­ofen­bau (AiF IGF)
• Ent­wick­lung von Metall­oxid-Sen­so­ren zur Gas­ana­ly­se für die Über­wa­chung von Gas­at­mo­sphä­ren in Indus­trie­öfen (AiF IGF)
• Ver­bes­se­rung von Pro­dukt­qua­li­tät und Wirt­schaft­lich­keit von Indus­trie­öfen mit Schutz­gas­at­mo­sphä­re durch die Opti­mie­rung des Atmo­sphä­ren­wech­sels (AiF IGF)