Themen für Arbeiten
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung von Wärmeübergangsmodellen für Prallstrahlen mit dem CFD-Programm Ansys Fluent. Es sollen die Einflüsse verschiedener Turbulenzmodelle sowie Netzeinstellungen auf die numerische Modellierung charakterisiert werden. Die gewonnen Ergebnisse sollen anhand einer experimentellen Parameterstudie validiert werden. Dazu werden Untersuchungen am institutseigenen Wärmeübergangsversuchstand stattfinden. Zur genaueren Auflösung der Strömung werden ergänzend Versuche mit einem laseroptischen Geschwindigkeitsmessverfahrens durchgeführt.
Der Submerged Arc Furnace ist ein elektrisches Schmelz- und Reduktionsaggregat, welches bereits seit Jahrzehnten beispielsweise für Ferronickel, Ferrochrom oder Phosphor großtechnisch eingesetzt wird. Auf Grund der gestiegenen Restriktionen hinsichtlich des CO2-Fußabdrucks von Produkten und den ebenfalls gestiegenen Kosten für CO2-Emissionen wird auch in der Stahlproduktion nach alternativen Prozessrouten zur Hochofenroute gesucht. Der Submerged Arc Furnace stellt eine Möglichkeit zum Erschmelzen von direktreduziertem Eisen dar und wird von einigen großen Stahlunternehmen favorisiert. In dieser Arbeit soll ein vorhandenes CFD-Modell eines Ferrochrom-SAFs weiter ausgebaut werden. Grundlegendes Prozessverständnis soll durch eine Besichtigung des SAFs bei Outokumpu in Tornio (Finnland) zu Beginn der Arbeit erlangt werden.
Am IOB wurde im Rahmen eines Projekts ein Querstromventilator mit erhöhter thermomechanischer Belastbarkeit entwickelt. Dieser soll dem Einsatz in Thermoprozessanlagen zur Wärmebehandlung von Aluminiumwerkstoffen bis zu einer Temperatur von 500 °C standhalten. Im Rahmen dessen sind bereits Versuche zum Schwingungs- und Strömungsverhalten an einem konventionellen Querstromventilator durchgeführt worden. Insbesondere Eigenschwingungen haben hierbei jedoch zu einem frühzeitigen Versagen des Querstromläufers geführt. Basierend auf diesen Ergebnissen sollen erweiterte Strömungs- und Schwingungsuntersuchungen an einem neuartigen Querstromventilator durchgeführt werden. Der zur Untersuchung des Querstromläufers notwendige Heißversuchsstand ist bereits vorhanden.
In dieser Arbeit soll die Verwendung verschiedener Hochtemperatur-Thermolacke zur Messung des Wärmeübergangskoeffizient mittels Infrarot-Thermographie untersucht werden. Dazu werden drei verschiedene Thermolacke verwendet. Dies erfordert die Messung von Wärmeübergangskoeffizienten verschiedener Düsensysteme bei unterschiedlichen Plattentemperaturen von bis zu 1000 °C. Zusätzlich soll eine Winkelabhängigkeit der Infrarot-Thermographie zur ebenen Platte untersucht werden. Die Messergebnisse werden untereinander bewertet und diskutiert.
Im Rahmen dieser Arbeit soll die Berechnung der Reaktionschemie, für ein am Institut entwickeltes umfangreiches Prozessmodell des Elektrolichtbogenofens, durch ein datenbasiertes Proxy-Modell ergänzt werden. Hierzu müssen die bisherigen Lösungsverfahren hinsichtlich ihrer Eignung untersucht und ein entsprechendes Approximationsverfahren implementiert werden. Abschließend sollen die Simulationsergebnisse verglichen und der resultierende Fehler untersucht werden, um etwaige Grenzen für die Anwendbarkeit des Proxy-Modells festzulegen
In dieser Arbeit wird eine Methode zur Bestimmung der Emissionsgrade beliebiger Oberflächen entwickelt. Dabei steht die Anforderung im Vordergrund, dass die Methode im Rahmen eines experimentellen Aufbaus realisierbar sein sollte. Dazu werden die unterschiedlichen Möglichkeiten der Emissionsgradbestimmung erörtert und darauf basierend eine geeignete Methode entworfen. Diese wird im Anschluss mathematisch modelliert. Die Ergebnisse werden eingeordnet und eine Bewertung der entwickelten Methode schließt sich an.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Recherche zu Reaktionsmechanismen, die für die Abbildung der unterstöchiometrischen Verbrennung geeignet sind, sowie deren Implementierung in einem CFD-Modell. Reaktionsmechanismen werden benötigt, um die bei der numerischen Verbrennungssimulation auftretenden Spezies zu berücksichtigen. Dies ist neben der Wahl eines passenden Turbulenz‑, Strahlungs- und Verbrennungsmodells von großer Bedeutung, um eine adäquate Lösung zu erlangen.
Ziel ist es, an einem (bestehenden) CFD-Modell unterschiedliche Reaktionsmechanismen für die unterstöchiometrische Verbrennung von Erdgas zu implementieren und nach selbst erarbeiteten Kriterien zu bewerten. Dazu ist eine intensive Literaturrecherche zu Reaktionsmechanismen und den validierten Bereichen notwendig.
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
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Produktionsrouten der Aluminium‑, Stahl- und Bleiindustrie untersucht und ökologisch bewertet werden. Auf diese Weise können Prozessabläufe optimiert und Einsparpotenzial sichtbar gemacht werden. Dazu sollen ausgewählte Prozesse betrachtet und mittels einer Ökobilanz nach DIN ISO 14044 untersucht werden. Abschließend werden die methodologischen Ansätze der Ökobilanzierung in Bezug auf die drei Produktionsrouten gegenübergestellt und verglichen.