Analyse thermomechanischer Spannungen in metallischen Innengehäusen konvektionsdominierter Industrieöfen

Wolfgang Philip Lenz (Autor)

Buch | Softcover

168 Seiten

2016
Mainz, G (Verlag)
9783958860674 (ISBN)

Keine Verlagsinformationen verfügbar

Artikel merken

In Deutschland wurden im Jahr 2013 insgesamt 1,1 Millionen Tonnen Aluminium und Aluminiumlegierungen und 0,7 Millionen Tonnen Kupfer und Kupferlegierungen [126] hergestellt. Metallische Produkte durchlaufen während des Herstellungsprozesses zahlreiche Industrieöfen für schmelzmetallurgische Prozesse, zur Wiedererwärmung (beispielsweise vor der Warmumformung) und zur Wärmebehandlung. Industrieöfen sind nach VDMA 24202 definiert als "alle in industriellen und gewerblichen Betrieben verwendete Einrichtungen, deren wesentliches Merkmal es ist, dass in einem von Wänden umschlossenen Raum, dem Ofenraum, einem Gut Energie, im allgemeinenin Form von Wärme zugeführt (von einem Gut abgeführt) wird, um bestimmte Vorgänge, deren einfachste Art das Erwärmen ist, im Gute oder an seiner Oberfläche ablaufen zu lassen." [119] Die Ofenraumtemperatur ist dabei in der Regel durch die Anforderungen des Prozesses bestimmt und kann nur in begrenztem Rahmen verändert werden. Beispiele für typische Prozesstemperaturen bei der Verarbeitung verschiedener Metalle sind in Abbildung 1.1 dargestellt.

0.1 Konventionen ....................................................................................................... IV
0.2 Lateinische Buchstaben ....................................................................................... IV
0.3 Griechische Buchstaben und sonstige Sonderzeichen ...................................... VIII
0.4 Sonderzeichen ..................................................................................................... IX
0.5 Akzente ................................................................................................................. X
0.7 Chemische Spezies ............................................................................................. XI
0.8 Abkürzungen ........................................................................................................ XI
1 Einleitung ................................................................................................................. 1
1.1 Motivation und industrielle Problemstellung ........................................................... 1
2 Modellierungsstrategie ......................................................................................... 10
2.1 Physikalische Grundlagen ................................................................................... 10
2.1.1 Strömungsmechanik .................................................................................... 10
2.1.1.1 Kompressibilität .................................................................................... 10
2.1.1.2 Massenerhaltung .................................................................................. 10
2.1.1.3 Impulserhaltung .................................................................................... 11
2.1.1.4 Skalare Erhaltungsgrößen .................................................................... 12
2.1.2 Wärmeübertragung ...................................................................................... 13
2.1.2.1 Wärmeübertragung in Fluiden .............................................................. 13
2.1.2.2 Wärmeübertragung in Feststoffen ........................................................ 13
2.1.2.3 Konvektive Wärmeübergänge .............................................................. 14
2.1.2.4 Strahlung .............................................................................................. 16
2.1.3 Strukturmechanik ......................................................................................... 19
2.2 Numerische Strömungsmechanik ........................................................................ 23
2.2.1 Finite-Volumen-Methode ............................................................................. 24
2.2.2 Anwendung der FVM auf inkompressible Strömungen ................................ 25
2.2.3 Turbulenzmodellierung ................................................................................ 27
2.2.4 Wandnahe Bereiche .................................................................................... 34
2.2.5 Chemische Komponenten und Verbrennung ............................................... 35
2.3 Numerische Wärmeübertragung .......................................................................... 36
2.3.1 Konvektion ................................................................................................... 36
2.3.2 Wärmeleitung............................................................................................... 36
2.3.3 Strahlung ..................................................................................................... 37
2.3.4 Konvektive Wärmeübergänge...................................................................... 38
2.4 Numerische Strukturmechanik ............................................................................. 38
2.4.1 Finite-Elemente-Methode ............................................................................ 39
2.4.2 Anwendung der FEM in der Strukturmechanik ............................................ 40
2.4.3 Randbedingungen ....................................................................................... 42
2.4.4 Elementauswahl .......................................................................................... 43
2.5 Zeitdiskretisierung in numerischen Berechnungen .............................................. 44
2.6 Kopplung ............................................................................................................. 45
2.7 Modellierung von Thermoprozessanlagen ........................................................... 47
2.7.1 Wärmedämmung ......................................................................................... 47
2.7.2 Ventilatoren ................................................................................................. 48
2.7.2.1 Rotierendes Bezugssystem .................................................................. 48
2.7.2.2 Zwangsbedingung ................................................................................ 49
2.7.2.3 Randbedingungen ................................................................................ 49
2.7.3 Energiebilanz ............................................................................................... 50
2.8 Stoffdaten ............................................................................................................ 53
2.8.1 Konstruktionswerkstoffe ............................................................................... 53
2.8.2 Wärmedämmwerkstoffe ............................................................................... 56
2.8.3 Fluide ........................................................................................................... 57
2.9 Analytische Modelle ............................................................................................. 59
2.9.1 Analytische Wärmeleitungsmodelle ............................................................. 59
2.9.1.1 Analytische Lösung der instationären Wärmeleitungsgleichung
(auch für Fo < 0.2) ................................................................................ 59
2.9.1.2 Temperaturgradient in Rippen .............................................................. 64
2.9.1.3 Kapazitätsstromverhältnis..................................................................... 65
2.9.2 Analytische Thermospannungsmodelle ....................................................... 66
2.9.2.1 Einfluss der Bauteildicke ...................................................................... 66
2.9.2.2 Gradienten in Blechdickenrichtung ....................................................... 67
2.9.2.3 Einfluss von Versteifungsrippen ........................................................... 68
3 Thermospannungen in einer kontinuierlichen
Wärmebehandlungsanlage (Schwebebandofen) ...................................................... 70
3.1 Untersuchungsgegenstand .................................................................................. 70
3.1.1 Geometrie .................................................................................................... 72
3.1.2 Randbedingungen ....................................................................................... 73
3.2 Ergebnisse ........................................................................................................... 81
3.2.1 Fall 1, ohne Versteifungsrippen ................................................................... 84
3.2.2 Fall 2, mit außenliegenden Versteifungsrippen ............................................ 88
3.2.3 Fall 3, mit innenliegenden Versteifungsrippen ............................................. 92
3.2.4 Fall 4, mit innenliegenden, strömungsangepassten
Versteifungsrippen ...................................................................................... 96
3.2.5 Fall 5, ohne Versteifungsrippen, direkt beheizt .......................................... 101
3.2.6 Fall 6, mit außenliegenden Versteifungsrippen, direkt beheizt .................. 105
3.3 Diskussion ......................................................................................................... 109
4 Thermospannungen in einem kontinuierlichen Anwärmofen
(Bolzenerwärmungsanlage) ...................................................................................... 113
4.1 Untersuchungsgegenstand ................................................................................ 113
4.1.1 Geometrie .................................................................................................. 114
4.1.2 Randbedingungen ..................................................................................... 115
4.2 Ergebnisse ......................................................................................................... 119
4.2.1 Fall 1, ohne Versteifungsbleche, einfache Blechdicke (3 mm) .................. 120
4.2.2 Fall 2, ohne Versteifungsbleche, doppelte Blechdicke (6 mm) .................. 123
4.2.3 Fall 3, mit Versteifungsblechen, einfache Blechdicke ................................ 126
4.3 Diskussion ......................................................................................................... 129
5 Thermospannungen in einer diskontinuierlichen
Wärmebehandlungsanlage (Kammerofen) .............................................................. 130
5.1 Untersuchungsgegenstand ................................................................................ 130
5.1.1 Geometrie .................................................................................................. 132
5.1.2 Randbedingungen ..................................................................................... 133
5.2 Ergebnisse ......................................................................................................... 136
5.2.1 Stationärer Betriebszustand ...................................................................... 136
5.2.2 Instationärer Betriebszustand .................................................................... 142
5.2.3 Diskussion ................................................................................................. 145
6 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................... 146
7 Literatur ............................................................................................................... 148

Erscheinungsdatum	30.11.2016
Reihe/Serie	IOB
Verlagsort	Aachen
Sprache	deutsch
Maße	148 x 210 mm
Gewicht	232 g
Einbandart	Paperback
Themenwelt	Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Thermodynamik
	Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
	Technik ► Maschinenbau
Schlagworte	Industrieofen • Industrieöfen • Konvektion • Prozesstemperaturen • Technische Thermodynamik • Thermodynamik und Wärme
ISBN-13	9783958860674 / 9783958860674
Zustand	Neuware