Industrieofentechnik

Zur Stei­ge­rung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen ist ein tief­grei­fen­des Ver­ständ­nis der vor­lie­gen­den Wär­me­über­tra­gung und Strö­mungs­vor­gän­ge essen­ti­ell. Die Pro­zes­se wer­den dazu model­liert, unter­sucht und optimiert.

Die Arbeits­grup­pe ver­fügt dafür über eine Viel­zahl von Prüf­stän­den, wel­che mit umfang­rei­cher und moder­ner Mess­tech­nik aus­ge­stat­tet sind. Die expe­ri­men­tel­len Metho­den wer­den durch ana­ly­ti­sche, (semi-)empirische Model­le und nume­ri­sche Simu­la­tio­nen (CFD/ FEM) ergänzt. Eine Kom­bi­na­ti­on aus expe­ri­men­tel­len, ana­ly­ti­schen und nume­ri­schen Unter­su­chun­gen ermög­licht dabei eine aus­führ­li­che Abbil­dung der phy­si­ka­li­schen Vorgänge.

Wärmeübertragung in Thermoprozessanlagen

Die Wär­me­über­tra­gung beim Auf­hei­zen und Abküh­len des Gutes in einem Indus­trie­ofen hat einen direk­ten Ein­fluss auf die Effi­zi­enz der Anla­ge. Dabei ste­hen die bei­den Wär­me­über­tra­gungs­me­cha­nis­men der (erzwun­ge­nen) Kon­vek­ti­on und der Wär­me­strah­lung im Fokus der Arbeitsgruppe.

Haupt­au­gen­merk bei der Unter­su­chung der erzwun­ge­nen Kon­vek­ti­on ist die Strö­mung des Fluids in der Ther­mo­pro­zess­an­la­ge. Neben der makro­sko­pi­schen Strö­mungs­füh­rung durch Ven­ti­la­to­ren ist auch die loka­le Strö­mung in Gut­nä­he hoch­re­le­vant. Sie bestimmt maß­geb­lich die erziel­ba­ren Wär­me­über­gangs­ko­ef­fi­zi­en­ten zwi­schen Gut und Flu­id. Die­se beein­flus­sen die im Pro­zess erziel­ba­ren Auf­heiz- und Abkühl­ra­ten. Aktu­el­le For­schungs­ar­bei­ten beschäf­ti­gen sich hier sowohl mit Gas- als auch Was­ser­quen­ching-Sys­te­men. Dabei wer­den die unter ver­schie­de­nen Gesichts­punk­ten erziel­ba­ren Abkühl­ra­ten und Pro­blem­stel­lun­gen betrach­tet, die auch einen direk­ten Ein­fluss auf die Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten haben.

Für den Bereich strah­lungs­do­mi­nier­ter Pro­zes­se arbei­tet die Arbeits­grup­pe an Strah­lungs­mo­del­len, wel­che die Betrach­tung belie­bi­ger zwei- und drei­di­men­sio­na­ler Geo­me­trien ermög­li­chen. Die­se die­nen der Ent­wick­lung von Pro­zess­mo­del­len zum Bei­spiel zur fle­xi­blen Char­gen­pla­nung und Vor­her­sa­ge der Durch­wärm­zeit des Gutes, um Pro­zess­zei­ten mög­lichst kurz und damit ener­gie­ef­fi­zi­ent zu gestalten.

Fluid-Struktur-Interaktion

Die Strö­mung in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen kann zu uner­wünsch­ten Phä­no­me­nen wie düsen­in­du­zier­ten Band­schwin­gun­gen in Glüh­li­ni­en oder Schwe­be­band­öfen füh­ren, die wie­der­um eine Beschä­di­gung des Gutes oder des Ofens her­vor­ru­fen kön­nen. Eben­so kön­nen in Kom­bi­na­ti­on mit hohen Tem­pe­ra­tu­ren wich­ti­ge Anla­gen­bau­tei­le wie bei­spiel­wei­se Ven­ti­la­to­ren, in eini­gen Betriebs­zu­stän­den (z.B. durch Eigen­schwin­gun­gen bei einer bestimm­ten Dreh­zahl), beschä­digt wer­den. Hier wird neben expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen auch an Mög­lich­kei­ten zur zuver­läs­si­gen nume­ri­schen Model­lie­rung sol­cher Phä­no­me­ne gearbeitet.

Hochflexible Wärmebehandlung

Der insti­tuts­ei­ge­ne Glüh­si­mu­la­tor ermög­licht die Durch­füh­rung maß­ge­schnei­der­ter Wär­me­be­hand­lun­gen, mit deren Hil­fe ein opti­ma­ler Glüh­zy­klus für metal­li­sche Pro­ben abge­lei­tet wer­den kann. Dazu kön­nen belie­bi­ge Atmo­sphä­ren (von Schutz­gas bis zu 100 % Was­ser­stoff), sowie rasche Auf­heiz- und Abkühl­ra­ten ein­ge­stellt wer­den. Die eben­falls am Insti­tut vor­han­de­ne modu­la­re Wär­me­be­hand­lungs­an­la­ge ermög­licht neben der Abküh­lung mit Luft auch eine Abküh­lung mit Was­ser unter belie­bi­gen Düsen­fel­dern, sowie ein geziel­tes Anlas­sen von Pro­ben mit Abmes­sun­gen von max. 300 mm x 200 mm. Mit die­sen Ver­suchs­an­la­gen wird die Werk­stoff­tech­nik mit dem Pro­zess ver­bun­den, was die detail­lier­te Unter­su­chung ein­zel­ner Pro­blem­stel­lun­gen, aber auch die anschlie­ßen­de Über­tra­gung auf die indus­tri­el­le Anla­ge ermöglicht.

Strukturelle Integrität, Lebensdaueroptimierung und Vorhersage

Neben der Betrach­tung der Wär­me­über­tra­gung und Strö­mungs­füh­rung in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen spielt in vie­len Anwen­dun­gen auch die ther­misch indu­zier­te Span­nungs­ver­tei­lung der Anla­gen­kom­po­nen­ten (z.B. Strahl­heiz­roh­re, Düsen­käs­ten) eine Rol­le. Durch die Anwen­dung von nume­ri­schen Metho­den (z.B. FEM) kön­nen Ther­mo­span­nun­gen in Abhän­gig­keit der Tem­pe­ra­tur­ver­tei­lung und der Ein­spann­si­tua­ti­on berech­net und Bau­teil­ver­sa­gen vor­her­ge­sagt wer­den. Eine Kom­bi­na­ti­on mit Kriech­mo­del­len lässt die Erwei­te­rung ther­mi­scher Span­nungs­mo­del­le zu Model­len der Lebens­dau­er­vor­her­sa­ge zu.