Simulation von Hochtemperaturprozessen

Veranstaltung VPT 3
Dozent Odenthal / Kirschen

Die Vorlesung „Simulation von Hochtemperaturprozessen“ wird im Sommersemester als Blockveranstaltung angeboten. Interessenten melden sich bitte im Institutssekretariat (Tel.: +49 (0)241-80 25936) oder bei Herrn Prof. Odenthal (Tel.: +49 (0)211-881 4143).

Termine im SS 2018

(Do 14:00-18:00 Uhr)

12.04.2018
19.04.2018 (Beginn)
26.04.2018
03.05.2018
17.05.2018
07.06.2018
14.06.2018
21.06.2018
28.06.2018
05.07.2018
12.07.2018
19.07.2018

Die Aufteilung der Termine zwischen den Dozenten wird noch bekannt gegeben.

Ort

Seminarraum 01-220, IOB, Kopernikusstraße 10

Inhalt

In der metallurgischen Hochtemperatur-Prozesstechnik spielen strömungs- und wärmetechnische Effekte eine wesentliche Rolle. Als Beispiel sei die Strömung der heißen Stahlschmelze im BOF-Konverter genannt. Die Geometrie von Konverter und Blaslanze, die Position der Blaslanze über der Schmelze, die Anzahl und Anordnung der Bodenspüler sowie die Blasrate der Prozess- und Spülgase bestimmen die Produktivität und die Stahlqualität. Allgemeine Fragestellungen sind, wie die einzelnen Phasen (Schmelze, Schlacke, Gase) miteinander agieren, wie Splashing und die damit verbundene Verbärung der Lanze reduziert und die Homogenisierung der Schmelze intensiviert werden können. Weitere Beispiele sind Schmelzenströmungen im Elektroofen (EAF), AOD-Konverter zur Rostfreiherstellung, Stahlgießpfannen, Stranggießverteilern, Kokillen und Bandanlagen. Infolge der extremen Bedingungen entziehen sich die meisten Prozesse der direkten Beobachtung bzw. Messung. Aus diesem Grund müssen solche Prozesse simuliert werden.

In dieser Vorlesung werden grundsätzliche Strömungsphänomene der Hochtemperatur­technik anhand praktischer Beispiele aus der Stahlindustrie erläutert. Die aktuellen Simulationstechniken, d. h. Betriebsversuch, physikalische Simulation am Modell und numerische Simulation (Computational Fluid Dynamics – CFD) wer­den im Detail vorgestellt. Die Vorlesung wird durch eine Reihe von Übungsaufgaben begleitet.

Die Studierenden werden in die Lage versetzt, Anlagen der metallurgischen Prozesstechnik sowie die darin ablaufenden strömungs- und wärmetechnischen Vorgänge einzuordnen und zu bewerten. Die Vorlesung vermittelt das Basiswissen zur Auslegung metallurgischer Anlagen und deren Komponenten.

1. Einleitung
1.1 Beispiele aus der Verfahrenstechnik und der metallurgischen Prozesstechnik

2. Dimensionsanalyse und dimensionslose Kennzahlen
2.1 Einleitung
2.2 Bridgman-Postulat – Potenzdarstellung der Dimensionsformel
2.3 Pi-Theorem von Buckingham (1914)
2.4 Beispiele
2.5 Ähnlichkeitskennzahlen

3. Grundlagen der Strömungs- und Wärmetechnik
3.1 Möglichkeiten der Strömungssimulation
3.2 Bilanzgleichungen
3.3 Navier-Stokes-Gleichungen (NS)
3.4 Reynoldsgleichungen (RANS/URANS)
3.5 Turbulenzmodelle

4. Einführung in die Gasdynamik

5. Strömungsmesstechnik

6. Reaktortheorie
6.1 Reaktortypen
6.2 Beurteilungskriterien für Reaktoren
6.3 Ideale Reaktoren
6.4 Reale Reaktoren
6.5 Verweilzeit für stationär durchströmte Reaktoren
6.6 Bestimmung der Verweilzeitverteilung
6.7 Beispiele

7. Grundlagen der thermochemischen Modellierung
7.1 Motivation
7.2 Berechnung der freien Enthalpie reiner Stoffe
7.3 Berechnung der freien Enthalpie in Mehrkomponentensystemen
7.4 Minimierungsalgorithmen
7.5 Beispiele aus der Hochtemperaturverfahrenstechnik:
Frischen von Rohstahlschmelzen, Verschleiss feuerfester Zustellungen, etc.

8. Reaktionskinetik und Transporteigenschaften von Fluiden
8.1 Chemische Reaktionsraten
8.2 Transporteigenschaften von Gasen und Plasmen
8.3 CFD in chemisch reagierenden Medien, z.B. Verbrennung, Entkohlung etc.

(Kapitel 1 – 6: Prof. Odenthal,
Kapitel 7 – 8: Dr. Kirschen)