Themen für Arbeiten
In kontinuierlichen Bandanlagen zur Wärmebehandlung von Stahl‑, Aluminium- und Kupferbändern kommen hochentwickelte Düsensysteme zum Einsatz, die das Band sowohl gezielt erwärmen als auch effizient kühlen. Eine zuverlässige numerische Modellierung der Prallstrahlen kann die Entwicklung neuer Düsensysteme deutlich beschleunigen und gleichzeitig erhebliche Ressourcen-einsparungen ermöglichen. Damit dieses Potenzial jedoch voll ausgeschöpft werden kann, müssen die bestehenden Modellierungsansätze deutlich an Genauigkeit gewinnen.
Ziel ist die Entwicklung zuverlässiger Wärmeübergangsmodelle für Prall-strahlen mittels des CFD-Programms ANSYS Fluent. Hierbei sollen systematisch die Auswirkungen verschiedener Turbu-lenzmodelle sowie unterschiedlicher Netzauflösungen und ‑einstellungen auf die numerische Modellierung charakterisiert werden. Die erarbeiteten Modelle werden anschließend durch eine experimentelle Parameterstudie verifiziert, die am insti-tutseigenen Versuchsstand durchgeführt wird.
Die Erzeugung von Prozesswärme in Thermoprozessanlagen soll weiter elektrifiziert werden. Dazu werden elektrische Heizelemente eingesetzt, deren Leistungsdichte allerdings in konvektionsdominierten Prozessen noch nicht an die von Brennersystemen heranreicht. Daher müssen die Heizelemente leistungsfähiger werden. Mit steigender Leistungsfähigkeit steigt der Anteil von Strahlungswärmestrom am Gesamtwärmestrom. Dieser Strahlungsanteil ist in Auslegungsrichtlinien von elektrischen Heizelementen nicht oder nur unzureichend berücksichtigt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Strahlungseinfluss weiter untersucht mit CFD-Simulationen. Konkret wird der Einfluss aller Oberflächen und deren Emissionsgrad auf die Heizelementperformance quantifiziert. Darauf aufbauend sollen Kriterien abgeleitet werden, wie die Heizelemente noch leistungsfähiger betrieben werden können.
Die Stahlindustrie wandelt sich stetig in Richtung Kreislaufwirtschaft und CO2-Neutralität. Ziel dieser Arbeit ist die Erschließung eisenreicher Reststoffe (Schlacke, Staub, Schlamm) durch die Herstellung selbstreduzierender Agglomerate unter Verwendung von nachhaltigem Biochar. Der direkte Einsatz von feinkörnigen Reststoffen in Schmelzöfen ist technisch nur eingeschränkt möglich. Es werden stabile Agglomerate benötigt, die den mechanischen Belastungen beim Transport und bei der Ofenbeschickung standhalten.
Das Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) nutzt moderne Messtechnik und Simulation um die Forschung für die Metallindustrie voranzutreiben. Um die Materialeigenschaften von Stahl- und Aluminiumprodukten einzustellen ist eine kontrollierte Abkühlung bei der Wärmebehandlung wichtig. Am Wasserkühlprüfstand des IOBs wird das Abkühlverhalten von Metallproben durch Düsenfelder mit einer Thermographie-Kamera untersucht. Zur Auswertung der Messdaten muss u.a. ein sog. inverses Wärmeleitungsproblem (IHTP) gelöst werden. In der Masterarbeit soll ein Auswerteskript implementiert werden, das mit Hilfe einer der gängigen Lösungsalgorithmen für IHTPs die Messdaten auswertet.
Elektrische Widerstandsheizelemente ermöglichen die Elektrifizierung energieintensiver Thermoprozesse. Bei hohen Temperaturen trägt neben der dominierenden Konvektion auch Wärmestrahlung maßgeblich zur Wärmeübertragung bei. Diese Arbeit entwickelt mittels CFD Gaserhitzer-Konzepte, deren Heizelementgeometrien und Anordnungen konvektiv effizient sind und den Strahlungsaustausch gezielt steigern. Bewertet werden u. a. Wirkungsgrad, Temperaturhomogenität, Druckverlust und spezifische Leistungsdichte. Die Ergebnisse werden mit dem Stand der Technik verglichen. Ziel ist eine höhere thermische Performance bei geringerem fossilen Energieeinsatz sowie klare Gestaltungsregeln für industrielle Anwendungen.
In vielen technischen Anwendungen, etwa in der Thermoprozesstechnik, ist die präzise Erfassung von Messwerten entscheidend. Korrekte Prozessgrößen verknüpfen Theorie und Praxis und dienen der Validierung physikalischer und mathematischer Modelle. Dafür ist eine enge Abstimmung zwischen Hard- und Software notwendig.
Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung einer Software-Schnittstelle zwischen einer Systemkom-paktkamera und dem Software Development Kit (SDK) des Herstellers, um automatisierte Bildaufnahmen zu ermöglichen. Zusätzlich soll eine Auswertesoftware entwickelt werden, welche mit der Kamera kommuniziert und die aufgenommenen Bilder auswertet. Der Fokus liegt auf der Detektion mikroskopisch kleiner Längenänderungen von Festkörpern (im Mikrometerbereich) auf Basis bildverarbeitungsbasierter Messverfahren.
Die Hardware des neuen Systems steht bereits zur Verfügung. Als Teil der Arbeit soll zunächst ein Konzept für die Prozessautomatisierung des Pizzaofens aufgebaut werden. Dabei wird das aktuell verwendete LabView-Programm als erprobte Grundlage für die Programmierung herangezogen. Anschließend soll das entwickelte Konzept auf dem Raspberry-Pi in Python implementiert werden. Während der Softwareentwicklung soll der Programmcode kontinuierlich dokumentiert werden. Die Dokumentation soll anschließende Anpassungen an der Programmierung erleichtern. Die Anlage soll über einen Touchscreen bedient werden können. Die Entwicklung der Benutzeroberfläche ist ebenfalls Teil der Abschlussarbeit. Abschließend wird das entwickelte System am Demonstrator in Betrieb genommen und getestet.
Mittel- bis langfristig müssen energieintensive Anlagen auf eine CO2-arme bzw. neutrale Prozesswärmeerzeugung umgestellt werden. Flexible Prozessketten und Anlagenkonzepte haben großes Potential für den Einsatz unter sich verändernden Rahmenbedingungen. Die Arbeit soll einen Beitrag zur Analyse der Wirtschaftlichkeit von flexible eingesetzten Thermoprozessanlagen und Industrieöfen unter dynamischen Rahmenbedingungen (volatiler Energiemarkt) leisten. Auf Basis der Ergebnisse sollen flexible Prozessketten und Anlagenkonzepte (u.a. Lastverschiebung, hybride Beheizungskonzepte, Speicher) in Bezug auf ihre ökologische und ökonomische Vorteilhaftigkeit bewertet werden.
Die von der metallerzeugenden und ‑verarbeitenden Industrie benötigte Prozesswärme wird aktuell hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt. Ein Ansatz zur Emissionsreduzierung ist die Elektrifizierung der Anlagen. Im Rahmen einer studentischen Arbeit sollen Modelle zur mathematischen Beschreibung verschiedener elektrischer Beheizungs- und Strömungsführungskonzepte basierend auf experimentellen Untersuchungen entwickelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik für die Bestimmung des CO2-Fußabdrucks im Rahmen einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment, kurz LCA) für den Betrieb von Thermoprozessanlagen als Teil eines spezifischen Herstellungsprozesses für Produkte aus der Metall- und Mineralindustrie entwickelt und angewendet. Dabei werden anlagenspezifische Restriktionen mit dem notwendigen technischen Sachverstand berücksichtigt. Es stehen u. a. die folgenden Branchen im Fokus:
- Metallindustrie: Stahl, NE-Metalle, Gießereiwesen, Schmieden, Härtereitechnik
- Mineralindustrie: Glas, Keramik, Kalk, Zement
