Analyse thermomechanischer Spannungen in metallischen Innengehäusen konvektionsdominierter Industrieöfen

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