IGF-Projekt 17840 N

Lebensdauererhöhung metallischer rezirkulierender Strahlheizrohre für Industrieöfen durch die Verringerung thermischer Spannungen

Forschungsstellen
RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik

Laufzeit
01.12.2013 – 30.11.2015

Zusammenfassung
Das Ziel des Projektes war die Untersuchung verschiedener innerer und äußerer Einflussgrößen auf die Lebensdauer von metallischen rezirkulierenden Strahlheizrohren. Mittels CFD-Simulationen, die die thermofluiddynamischen Phänomene vollständig abbilden können, wurde die jeweilige Temperaturverteilung auf der Strahlheizrohroberfläche berechnet. Die Randbedingungen für diese Simulationen wurden an einem Prüfstand, der gleichzeitig die Basis für das numerische Modell darstellt, erzeugt. Zusätzlich kann wurde die berechnete Temperaturverteilung mit dem gemessenen Profil validiert. Die Strömungsberechnung, die auch die Modellierung der Verbrennung beinhaltet, wurde mit einer strukturmechanischen Berechnung (FEM) gekoppelt (Fluid Struktur Interaktion). So lässt sich die mechanische Belastung der Strahlheizrohre in Form einer Spannungsverteilung berechnen. Dieses Ergebnis lässt eine Aussage zur Lebensdauer der Ofenkomponenten zu.
Die numerischen und experimentellen Untersuchungen zeigen, dass innere und äußere Einflussgrößen einen großen Einfluss auf die Temperatur- und Spannungsverteilung am Strahlheizrohr haben und damit dessen Lebensdauer entscheidend beeinflussen. Die Standard-Verbrennung erzeugt im Vergleich zur flammlosen Oxidation keine signifikanten Unterschiede bezogen auf die mechanische Belastung des untersuchten Strahlheizrohrs. Die Gestaltung der Krümmer und die Positionierung des Brenners zeigt gerade in Hinblick auf die Strömung im Strahlheizrohr einen großen Einfluss.
Die Einbausituation eines Strahlheizrohres beeinflusst die Temperatur- und Spannungsverteilung und damit die Lebensdauer maßgeblich. Beim Einsatz bei geringeren Temperaturen ist die Anströmung des Rohrs aufgrund des höheren Anteils des konvektiven Wärmestroms günstig zu gestalten. Der Einfluss einer verringerten Bandbreite auf Strahlheizrohre ist zu berücksichtigen, um den Einfluss auf die Temperaturverteilung gering zu halten. Eine Vorhersage der Lebensdauer stark thermisch belasteter Ofenkomponenten ist allerdings nur möglich, wenn instationäre Effekte mit berücksichtigt werden. Diese Phänomene werden in einem Folgevorhaben (IGF-Nr. 19068 N) untersucht.

Veröffentlichungen im Rahmen des Projektes
N. Schmitz, H. Pfeifer: Lebensdauererhöhung metallischer rezirkulierender Strahlheizrohre mit Hilfe experimenteller und numerischer Methoden, Aachen-Freiberg-Magdeburger-Kolloquium, 16.-17.09.2014, Aachen

N.Schmitz, M. Hellenkamp, H. Pfeifer, E. Cresci, J.G. Wünning, M. Schönfelder: Radiant Tube Life Improvement for Vertical Galvanizing Lines, 10th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel, AIST Galvatech 2015, 31.05.2015-04.06.2015, Toronto, Kanada

Schmitz, N.; Schwotzer, C.; Pfeifer, H.: Erhöhung der Lebensdauer metallischer rezirkulierender Strahlheizrohre, gwi gaswärme international, 66 (2017), Nr. 4 August, S. 49-56


BMWi_Web_de_WBZDas IGF-Vorhaben 17840 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Weitere Informationen sowie den Abschlussbericht erhalten Sie über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt oder info@fkm-net.de