Entwicklung und experimentelle Validierung numerischer Wärmeübergangsmodelle für Prallstrahlen

Indus­tri­el­le Gemein­schafts­for­schung (IGF), 1. Janu­ar 2023 bis 31. Dezem­ber 2024

Projektbeschreibung

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

Projektziele

  • Umbau des bestehen­den Ver­suchs­stands zur Durch­füh­rung von opti­schen Strö­mungs­mes­sung von Prallstrahlen
  • Ent­wick­lung eines nume­ri­schen Modells zur Simu­la­ti­on von loka­len Nußelt-Zah­len von Düsen­fel­dern auf Prall­ober­flä­chen mit einem maxi­ma­len rela­ti­ven Feh­ler von 5%
  • Ent­wick­lung eines ver­ein­fach­ten nume­ri­schen Modells zur Simu­la­ti­on von mitt­le­ren Nußelt-Zah­len von Düsen­fel­dern auf Prall­ober­flä­chen mit einem maxi­ma­len rela­ti­ven Feh­ler von 5%
  • Vali­die­rung und Bewer­tung der nume­ri­schen Modelle

Ergebnisbericht

Prall­strah­len wer­den zur Wär­me­be­hand­lung Metall­band sowie in Trock­nungs­an­la­gen für Papier ein­ge­setzt, sie sor­gen für eine gleich­mä­ßi­ge Wär­me- und Stoff­über­tra­gung. Bestehen­de nume­ri­sche Model­le zur Aus­le­gung von Düsen­sys­te­men sind nur beschränkt geeig­net, die kom­pli­zier­ten Tur­bu­lenz­struk­tu­ren in Prall­strah­len zu berechnen.

Im vor­lie­gen­den Pro­jekt sol­len neue Ansät­ze zur nume­ri­schen Strö­mungs­be­rech­nung von Prall­strah­len ent­wi­ckelt wer­den. Zur Vali­die­rung der Model­le wer­den Unter­su­chun­gen des Wär­me­über­tra­gungs­ver­hal­ten am insti­tuts­ei­ge­nem Prüf­stand durch­ge­führt. Die­ser wird um ein opti­sches Mess­ver­fah­ren zum Unter­su­chen der Tur­bu­lenz­struk­tu­ren in Prall­strah­len erweitert. 

Der Schluss­be­richt ist über die For­schungs­ver­ei­ni­gung Indus­trie­ofen­bau e.V. (FOGI) erhältlich.

Ansprechpartnerin

Eileen Tram­pe, M.Sc.

+49 241 80–26051

trampe@iob.rwth-aachen.de

Förderung

Das Pro­jekt (Vor­ha­ben Nr. 01IF22751N) wur­de mit Unter­stüt­zung der For­schungs­ge­mein­schaft Indus­trie­ofen­bau e.V. (FOGI) über das For­schungs­ku­ra­to­ri­um Maschi­nen­bau e.V. (FKM) ein­ge­reicht. Es wur­de über den Pro­jekt­trä­ger Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt e. V. (DLR) im Rah­men des Pro­gramms zur För­de­rung der Indus­tri­el­len Gemein­schafts­for­schung und ‑ent­wick­lung (IGF) durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz (BMWK) auf­grund eines Beschlus­ses des Deut­schen Bun­des­ta­ges finan­zi­ell gefördert.