Entwicklung und experimentelle Validierung numerischer Wärmeübergangsmodelle für Prallstrahlen

In kon­ti­nu­ier­li­chen Band­an­la­gen und in Kam­mer­öfen zur Wär­me­be­hand­lung von Stahl‑, Alu­mi­ni­um- und Kup­fer­band wer­den Düsen­sys­te­me zur Auf­hei­zung und Küh­lung der Bän­der ein­ge­setzt. Die Düsen wer­den so auf das Band gerich­tet, dass die ent­ste­hen­de Prall­strö­mung für einen mög­lichst hohen und homo­ge­nen Wär­me­über­gang sorgt. Die Wär­me­über­tra­gung zwi­schen dem Band und dem Gas der Düsen­strö­mung fin­det haupt­säch­lich kon­vek­tiv statt. Zur Beur­tei­lung des Wär­me­über­gangs der Prall­strö­mung wird ein Wär­me­über­gangs­ko­ef­fi­zi­ent (WÜK) α defi­niert und durch die Nußelt-Zahl Nu dimen­si­ons­los dar­ge­stellt. Der Wär­me­über­gang in Prall­strö­mun­gen ist von meh­re­ren Fak­to­ren wie der Düsen­aus­tritts­ge­schwin­dig­keit, den Stoff­wer­ten des Fluids und der Geo­me­trie der Düsen bzw. Düsen­sys­te­me abhängig.

Bei­spie­le für ein (a) Rund­dü­sen­sys­tem und (b) Schlitz­dü­sen­sys­tem mit den rele­van­ten geo­me­tri­schen Grö­ßen h: Band­ab­stand, L: Düsen­län­ge, W: Düsen­brei­te, s: Teilung

Das Pro­jekt soll dazu bei­tra­gen, eine güns­ti­ge und effi­zi­en­te Aus­le­gungs­mög­lich­keit für Düsen­sys­te­me zu ent­wi­ckeln. Hier­zu wird ein inno­va­ti­ver, nume­ri­scher Model­lie­rungs­an­satz her­an­ge­zo­gen wer­den, mit dem die Wär­me­über­tra­gung zwi­schen Prall­strah­len und der Prall­ober­flä­che mit hin­rei­chen­der Genau­ig­keit berech­net wer­den kann. Dies ist momen­tan nur mit unwirt­schaft­li­chem Rechen­auf­wand mög­lich. Die Vali­die­rung und Bewer­tung der Model­le fin­det mit einer expe­ri­men­tel­len Para­me­ter­stu­die statt. Dabei las­sen sich die Tur­bu­lenz­struk­tu­ren der Prall­strö­mung mit Hil­fe opti­scher Strö­mungs­mess­ver­fah­ren erfas­sen. Der loka­le Wär­me­über­gang zwi­schen der Prall­strö­mung und der Prall­ober­flä­che kann eben­falls mit geeig­ne­ter Mess­tech­nik unter­sucht wer­den. Bei­de ange­spro­che­nen Mess­ver­fah­ren kön­nen gleich­zei­tig in einem Ver­suchs­auf­bau am IOB durch­ge­führt wer­den. Dies ermög­licht die direk­te Ana­ly­se der Strö­mung und der loka­len Nußelt-Zahl.

Sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung des Wär­me­über­gangs­ver­suchs­stand zur Mes­sung von Nußelt-Zah­len
Links: Prin­zip­skiz­ze des Ver­suchs­stands, unten rechts: Foto des Ver­suchs­stands
oben rechts: Bei­spiel­haf­te Nu-Ver­tei­lung für kom­bi­nier­tes Düsen­sys­tem aus Rund- und Schlitzdüsen