Vorwort - Die Otto-von-Guericke

Vorwort
Das letzte Jahr war für das Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT) einerseits durch Kontinuität in Lehre und Forschung, andererseits aber auch durch weiterhin
schwierige finanzielle Randbedingungen an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
gekennzeichnet. Die Verringerung der Planstellen im wissenschaftlichen Bereich, die Nichtoder Spätbesetzung von Mitarbeiterstellen und die erheblichen Arbeitszeitverkürzungen erschweren die Arbeit, gefährden die Absicherung der Lehrveranstaltungen in der Grundlagenausbildung, gerade angesichts der (erfreulicherweise!) extrem gestiegenen Seminargruppenzahlen, und verringern teilweise auch die Forschungskapazität.
Trotz dieser schwierigen Bedingungen wurde von den drei Lehrstühlen
-
Strömungsmechanik und Strömungstechnik (Prof. Dr.-Ing. D. Thévenin)
Technische Thermodynamik (Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt)
Thermodynamik und Verbrennung (Prof. Dr.-Ing. E. Specht)
insgesamt wieder eine engagierte und erfolgreiche Arbeit in Lehre und Forschung geleistet,
über deren wesentlichste Ergebnisse der Bericht Auskunft gibt. Eine verstärkte Finanzierung
der Institutsforschung über Drittmittel (Industrie, Land, DFG) hat neue Möglichkeiten eröffnet.
Die wissenschaftliche Leistungsfähigkeit wird durch eine große Zahl von Publikationen, Präsentationen auf internationalen Tagungen und durch entsprechende Forschungsprojekte im
Rahmen der DFG, der AiF, des DAAD und gemeinsam mit der Industrie belegt.
Höhepunkte in der Forschung waren die Bewilligung von Projekten des Kollegen Thévenin
im Rahmen der DFG-Schwerpunktprogramme „Strömungsmischer“ sowie „Bildgebende
Messverfahren der Strömungsanalyse“, des internationalen Promotionsstudiengangs „Chemical and Biochemical Engineering“ unter Leitung des Kollegen Specht sowie die erfolgreichen
Zwischenverteidigungen und Bewilligungen für die zweite Förderperiode der DFGForschergruppe „Membrangestützte Reaktionsführung“ und des DFG-Graduiertenkollegs
„Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen“, an denen
Arbeitsgruppen des Instituts bereits seit mehreren Jahren mitwirken.
Der Lehre kommt im Institut eine besondere Bedeutung zu, da die gesamte Grundlagenausbildung in Strömungsmechanik und Thermodynamik für alle technisch orientierten Studiengänge abgedeckt wird. Für die erfreulich gewachsenen Studentenzahlen spricht die Tatsache,
dass die Grundlagenvorlesungen in immer größeren Hörsälen durchgeführt werden mussten.
Darüber hinaus werden zahlreiche zum Teil auch neu konzipierte Fachvorlesungen angeboten.
Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern möchte ich abschließend im Namen des Institutsvorstandes unseren Dank für die stete Einsatzbereitschaft und die engagierte Arbeit in Lehre und
Forschung aussprechen. Ebenso gilt dieser Dank allen Forschungspartnern, Freunden und
Kollegen, mit denen wir aktiv kooperiert haben, für die gute Zusammenarbeit und Unterstützung.
Magdeburg, November 2006
Dominique Thévenin
(Geschäftsführender Leiter)
1
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Strömungstechnik und
Thermodynamik (ISUT)
Gebäude 14, Raum 113 (Sekretariat 112)
Universitätsplatz 2 (PLZ 39106)
PSF 4120 (PLZ 39016)
Magdeburg
Geschäftsführender Leiter:
Prof. Dr.-Ing. D. Thévenin
Redaktion:
Dr.-Ing. H.-V. Wömpner
Tel. (0391) 67-18654
Fax (0391) 67-12840
Besuchen Sie uns im Internet!
http://www.uni-magdeburg.de/isut
Bilder (Vorder- und Rückseite):
•
Anwendung der Shadowgraphy auf Blasen und Tropfen
(Vorderseite)
• Laufradströmung (Rückseite)
2
Inhalt
Seite
Vorstand und Personal
Vorstand
Hochschullehrer
Wissenschaftliche Mitarbeiter
Technische Mitarbeiter
Sekretariate
4
4
4
4
4
Lehrangebote
5
Forschung
Forschungsschwerpunkte
Forschungsprojekte / Drittmittel
Wissenschaftliche Publikationen
Zeitschriften
Buchbeiträge und Tagungsbände
Mitgliedschaften
6
23
26
26
28
32
Dissertationen
32
Labore, Versuchsstände und gerätetechnische Ausstattung
34
Serviceangebote
47
Lageplan
48
3
Vorstand und Personal
Vorstand
Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin, Geschäftsführender Leiter
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt
Prof. Dr.-Ing. Eckehard Specht
Dr.-Ing. Hans-Volker Wömpner
Siegfried Brüggemann
Hochschullehrer
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt
Prof. Dr.-Ing. Eckehard Specht
Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin
Prof. (i.R.) Dr.-Ing. Hans-Karl Iben
Prof. (i.R.) Dr.-Ing. Dr. h. c. Hans-Joachim Kecke
Wissenschaftliche Mitarbeiter
M. Sc. Sylvia Agustini
M. Sc. Mohamed Attalla
Dipl.-Ing. Agnieszka Bes
Dipl.-Ing. Robert Bordás
Dr.-Ing. Hartwig Erich Boye
Dipl.-Ing. Miroslaw Brzoza
Dr.-Ing. Sergey Cernigovskii
Dipl.-Ing. Chuan Cheng
Dr.-Ing. Gábor Janiga
Dipl.-Ing. Marta Cortina Díaz
Dipl.-Ing. Dimitar Dontschev
Dipl.-Ing. Katya Georgieva
Dr.-Ing. Dietrich Handtke
Dipl.-Ing. Jivko Jekov
M. Sc. Yalzin Kaymak
Dipl.-Ing. Tihomir Kotsev
Dipl.-Ing. Nico Krause
Dipl.-Ing. Jacek Krol
Dipl.-Ing. Stefan Leschka
M. Sc. Xiaoyan Liu
Dipl.-Ing. Mariya Nacheva
M. Sc. Aryoso Nirmolo
M. Sc. Alper Öncül
Dr.-Ing. Elemér Pap
Dipl.-Ing. Gregor Popiolek
Dr.-Ing. Günter Scholz
Dipl.-Ing. Hemdan Shalaby
Dipl.-Ing. Teodor Rumenov Todorov
M. Sc. Shabi Ulzama
Dipl.-Ing. Zbigniew Waniek
Dr.-Ing. Hans-Volker Wömpner
Dr.-Ing. Bernd Wunderlich
Dr.-Ing. Katharina Zähringer
Technische Mitarbeiter
Dr.-Ing. Janan Al-Karawi
Siegfried Brüggemann
Doris Eichhorn
Dipl.-Ing. Peter Fischer
Dipl.-Chem. Michael Könnig
Eckart Kagelmann
Dirk Meinecke
Christian Kisow
René Timpe
Dr.-Ing. Hermann Woche
Petra Zacke
Sekretariate
Petra Zacke
Christin Hasemann
4
Lehrangebote
Die folgenden ausgewählten Lehrveranstaltungen geben einen Überblick über die umfangreichen Lehrverpflichtungen des Instituts, die sowohl die ingenieurtechnischen Grundlagen für
12 Studiengänge als auch eine Reihe von Fachvorlesungen umfassen.
•
Strömungslehre, Einführung (Thévenin, D.)
•
Grundlagen der Strömungsmechanik (Thévenin, D.)
•
Strömungsmechanik I und II (Thévenin, D.)
•
Numerische Strömungsmechanik / Computational Fluid Dynamics (Janiga, G.)
•
Advanced Fluid Dynamics (Wunderlich, B.)
•
Experimentelle Methoden der Thermo- und Fluiddynamik (Schmidt, J.; Thévenin, D.)
•
Grundlagen der Strömungsmaschinen (Pap, E.)
•
Rechnergestützte Konstruktion von Strömungsmaschinen (Pap, E.)
•
Kreiselpumpen und –verdichter (Pap, E.)
•
Dampf- und Gasturbinen (Pap, E.)
•
Technische Thermodynamik (Schmidt, J.)
•
Technische Wärmelehre (Schmidt, J.)
•
Gemisch- und Grenzflächenthermodynamik (Schmidt, J.)
•
Kältetechnik (Schmidt, J.; Boye, H.)
•
Heizung, Lüftung, Klimatisierung (Schmidt, J.)
•
Numerische Berechnungen zum Wärmetransport (Schmidt, J.; Dontchev, D.)
•
Wärme- und Stofftransport (Specht, E.)
•
Verbrennungstechnik (Specht, E.)
•
Ecological balances (Specht, E.)
•
Combustion Engineering (Specht, E.)
•
Thermal Waste Treatment (Specht, E.)
•
Advanced Heat and Mass Transfer (Specht, E.)
•
Production of Metals and Ceramics (Specht, E.)
•
Laseroptische Strömungsmeßmethoden (Zähringer, K.)
5
Forschung – Forschungsschwerpunkte
Numerische Strömungsmechanik und Optimierung
G. Janiga, R. Sethuraman, A. Öncül, H. Shalaby
Die numerische Untersuchung komplexer Strömungen hat mit der Berufung von Herrn Prof.
Thévenin im Oktober 2002 stark an Bedeutung gewonnen. Sowohl kommerzielle CFDProgrammsysteme (Fluent, FEMLAB, CFX) wie eigene Programme werden hierfür verwendet
und weiterentwickelt. Spezifische numerische Methoden werden auch getestet.
Im Bereich der Grundlagenforschung werden hauptsächlich anhand direkter numerischer Simulation (DNS) turbulente Strömungen untersucht. Die Kopplung zwischen chemischen Reaktionen und turbulenten Prozessen bildet eine besonders schwierige Konfiguration, die aber
wegen zahlreicher praktischer Anwendungen (turbulente Verbrennung) besonders intensiv
betrachtet wird. Mit DNS ist es möglich, diese Wechselwirkung sehr genau zu untersuchen
und nützliche Informationen für die Entwicklung neuer Modelle zu gewinnen. Die Reduzierung der (sehr langen) Rechenzeiten anhand geeigneter mathematischer und numerischer Methoden (Parallelrechner, dynamische Systemtheorie mit attraktiven Mannigfaltigkeiten –
ILDM, FPI–, adaptive Gitter...) wird dabei angestrebt.
Die weitergehende Datenverarbeitung numerischer Ergebnisse spielt ebenfalls eine zunehmende Rolle. Da mit jeder Rechnung eine sehr große Menge an Daten produziert wird, nimmt
die Bearbeitung dieser Daten, um zu sinnvollen physikalischen Aussagen zu kommen, genau
so viel Zeit in Anspruch, wie für die Berechnung selber notwendig ist. Für diese Datenverarbeitung wurden spezielle Programme unter Matlab entwickelt, die das Verfahren beschleunigen und automatisieren und auch für experimentelle Ergebnisse anwendbar sind. Diese Software-Bibliothek wird in Zukunft noch umfangreicher und flexibler werden.
Anhand dieser Datenverarbeitung ist es dann
möglich, bessere Modelle für die Simulation
turbulenter Strömungen zu entwickeln. Diese
Modelle werden anschließend mit CFDProgrammen gekoppelt, die entweder die
Großwirbel- (LES, Large-Eddy-Simulation)
oder RANS- (Reynolds-Averaged-NavierStokes) Verfahren verwenden. Für beide Methoden werden zur Zeit am Lehrstuhl industrielle Programme angewandt und anhand
Pareto-Grenze, Berechnungsbeispiel und
vorhandener Schnittstelle weiterentwickelt.
Verfahren für die automatische OptimieDa diese zwei Modellier-Methoden momenrung eines Wärmetauschers anhand CFD
tan die Einzigen sind, die eine Untersuchung
und OPAL.
praxisnaher oder industrieller Anlagen (z.B.
Strömungsmaschinen oder Industrieöfen) erlauben, wird dieses Thema am Lehrstuhl weiter an Bedeutung gewinnen. In dieser Hinsicht ist
auch die enge Zusammenarbeit zwischen Mitarbeitern aus den numerischen und experimentellen Bereichen des Lehrstuhls hilfreich, da beide Betrachtungsweisen eine perfekte Ergänzung bieten. Allein durch gekoppelte experimentelle und numerische Untersuchungen ist es
möglich, wirklich quantitative Vorhersagen für komplexe Strömungen zu erreichen. Die
Kopplung von Strömungsberechnungen mit einer numerischen Optimierungsschleife wurde
erfolgreich getestet und wird seitdem intensiv weiterentwickelt. Diese Arbeiten wurden inzwischen in mehreren Veröffentlichungen dokumentiert.
6
Experimentelle und numerische Untersuchung von reaktiven Strömungen
K. Zähringer, G. Janiga, H. Shalaby, S. Leschka, A. Bourig
Die zwei Arbeitsgruppen zu experimentellen und numerischen Untersuchungen von Strömungen mit chemischen Reaktionen wurden am Lehrstuhl für Strömungsmechanik mit der
Berufung von Herrn Prof. D. Thévenin im Oktober 2002 neu eingerichtet. Sie sollen der thematischen Erweiterung des Lehrstuhls auf dem Gebiet der reaktiven Strömungen und der
Verbrennung Rechnung tragen.
Dies betrifft im experimentellen Bereich insbesondere optische Messverfahren zur Spezies-,
Temperatur- und Geschwindigkeitsmessung, Messungen in laminaren und turbulenten Flammen sowie den wechselseitigen Einfluss von Strömungsfeld und chemischer Reaktion oder
chemischer Reaktion und Akustik. Diese Messungen werden in industriellen und Laborbrennern oder, im Rahmen der Grundlagenforschung, zum besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Strömung und Flamme (turbulente Verbrennung) durchgeführt. Optische Verfahren helfen beispielsweise bei der Visualisierung und dem darauf beruhenden besseren Verständnis von akustischen Wechselwirkungen zwischen Flamme und umgebendem Kesselsystem in Haushaltsheizsystemen. Ziel dieser Untersuchungen ist ein Simulationsmodell für solche Systeme, um eventuelle akustische Probleme vorhersagen und Lösungen vorschlagen zu
können. Mittels simultaner Laser-Induzierter Fluoreszenz (LIF) und PIV-Messungen kann die
Struktur von Flammen mit dem Ziel eines besseren Verständnisses der Turbulenz-Flammen
Wechselwirkung untersucht werden. Diese spielt in allen hochtechnischen Verbrennungs- und
Reaktionssystemen eine große Rolle bei der Effektivitätssteigerung und Optimierung (Automobilmotoren, Gasturbinen, Haushaltsbrenner etc.). Bei gleichzeitiger Kenntnis von Strömungsfeld und Verlauf einer chemischen Reaktion können ebenfalls zerstörerische Phänomene, wie lokale Überhitzung, Druckschwankungen (akustische Emissionen) oder übermäßige
Schadstoffbildung besser charakterisiert,
verstanden und vermieden werden. Unter anderem sollen hierbei auch die
Möglichkeiten von gezielter Strömungsbeeinflussung (Kontrolle) untersucht
Flammen/Akustik-Wechselwirkung für eine turwerden. Die Problematik der Laserzünbulente Methanflamme, mit direkter numerischer
dung wurde in einem umfangreichen,
Simulation berechnet
inzwischen abgeschlossenen Projekt
genau bewertet. Jetzt werden schwerpunktmäßig Mischungsprozesse und chemische Reaktionen in einem statischen Mischer experimentell untersucht.
Auch die numerische Gruppe beschäftigt sich mit der Kopplung zwischen Strömungsfeld und
chemischen Reaktionen. Diese Problematik wurde mit verschiedenen Ansätzen untersucht.
Direkte numerische Simulationen (DNS) und Großwirbelsimulationen (LES) erlauben die
Untersuchung solcher Strömungen mittels numerischer Modellierung. Dabei wurden turbulente Flammen detailliert simuliert. Die Bedeutung der Modelle, die für die Beschreibung
elementarer Reaktionskinetik und Diffusionsgeschwindigkeiten verwendet werden, wurde
deutlich und die Notwendigkeit drei-dimensionaler Simulationen bestätigt. Zahlreiche Berechnungen wurden auch für die Problematik der Flammen/Wirbel-Wechselwirkung durchgeführt, da dieses Problem als Grundstein der turbulenten Verbrennung betrachtet wird. Diese
Arbeiten werden jetzt weitergeführt in Richtung Flammeninstabilitäten und akustische Emissionen reaktiver Strömungen.
7
Zweiphasenströmungen
B. Wunderlich, E. Pap, A. Öncül, R. Bordás, K. Zähringer
Am Institut steht eine umfangreiche, moderne, lasertechnische Experimentierbasis zur Verfügung (insbesondere Phasen-Doppler-Anemometrie PDA, Shadowgraphy), die für Untersuchungen der Strömungsfelder in einer Zweiphasenströmung, bestehend aus einer kontinuierlichen und einer dispersen Phase, eingesetzt werden kann und die teilweise mobil ist.
Außerdem wurde Ende 2005 am Lehrstuhl ein zweiphasiger Windkanal in Betrieb genommen. Er ist völlig rechnergesteuert, Göttinger Bauart, mit offenem oder geschlossenem Messabschnitt für Einphasen- (Luft) oder Zweiphasenströmungen (z.B. Luft/Wasser). Die Abmessungen des Messabschnitts betragen (HxBxL offen/geschlossen) 500x600x1100/1500 mm.
Drei Scheiben des geschlossenen Messabschnitts sind optisch durchsichtig (400/450x500
mm), auch für übliche Laserwellenlängen, und erlauben dadurch die Messungen. Strömungsgeschwindigkeiten von 0.3 bis über 50 m/s sind möglich mit einem Turbulenzgrad unter
0.5%. Austauschbare Einspritzungsköpfe sind für die Spray-Generierung im Windkanal verfügbar (z. B. Sauter-Durchmesser: 50 μm, Volumenstrom: 50 l/h). Dieser Windkanal wird
auch für Grundlagenuntersuchungen meteorologischer Strömungen (Regen) zukünftig eingesetzt.
Zweiphasiger Windkanal
Shadowgraphy in einem Kristallisationsreaktor
Am Lehrstuhl werden außerdem umfangreiche, kombinierte experimentelle/numerische Untersuchungen von Kristallisations- und Fällungsreaktoren durchgeführt. Messungen werden in
diesem Fall hauptsächlich anhand Shadowgraphy realisiert, während die Simulationen mit
populationsdynamischen Modellen (Standard Method of Moments, QMOM, DQMOM) erfolgen. Diese Momenten-Methoden wurden anhand User-Defined Functions in die Software
Fluent integriert, so dass komplexe, drei-dimensionale mobile Geometrien hiermit untersucht
werden können.
Kristallisationsreaktor
Berechnete Particle-Mass Density
8
Strömungsmaschinen
E. Pap, N. Krause
Die detaillierte Untersuchung des Betriebsverhaltens von Strömungsmaschinen, insbesondere
von instationären Strömungsfeldern im Laufrad, wird weitergeführt. Durch die Entwicklungen in der Kamera- und Lasertechnik ist es möglich geworden, die Aufnahmefrequenzen in
der Particle-Image-Velocimetry (PIV) zu steigern.
Dem Lehrstuhl für Strömungstechnik und Strömungsmechanik stand mehrmals ein solches
kommerzielles System für einen kurzen Zeitraum zur Verfügung. Mit einer Wiederholfrequenz von 50 Hz wurden die Strömungsfelder in jedem Schaufelkanal eines Laufrades in derselben Lage untersucht. Hauptsächlich ging es dabei um das Teillastverhalten der Kreiselpumpe. In diesem Bereich kommt es zu instationären Ablösungserscheinungen, die durch
Fehlanströmung der strömungsführenden Teile auftreten.
Diese Ablösungen verursachen in den Schaufelkanälen Wirbel, was dazu führen kann, dass
der Kanal „verstopft“, d. h. nicht mehr fördert. Durch die Rotation des Laufrades und die Interaktion der einzelnen Schaufelkanäle wandert die Ablösung durch die Kanäle des Laufrades.
Die Schaufeln werden dabei starken wechselnden Kräften ausgesetzt, die aus der Änderung
der Strömungsführung folgen. Liegt die Änderungsfrequenz der Kräfte im Resonanzbereich
der Konstruktion, kann es bis zur Zerstörung der Schaufeln kommen.
Strömungsfeld und ermitteltes Frequenzspektrum
Als Ergebnis der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Ablösung auf der Saugseite im Eintrittsbereich des Kanals ihren Ursprung hat. Die Analyse unterschiedlicher Betriebszustände
zeigte, dass sich die Ablösung in einem Laufradkanal ausbildet und mit zunehmender Drosselung des geförderten Volumenstromes vergrößert. Wird die Ablösezelle so groß, dass der Kanal kaum noch durchströmt wird, bildet sich im entgegen der Drehrichtung gelegenen Nachbarkanal eine neue Ablösezelle aus. Dies ermöglicht dann die erneute Durchströmung des
zuvor blockierten Kanals. Mit Hilfe der Frequenzanalyse war es möglich aus den Strömungsfeldern die Umfangsgeschwindigkeit der Ablösezelle zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die
Umfangsgeschwindigkeit der Ablösezelle mit sinkendem Förderstrom zunahm.
In jüngster Zeit wurden zeitaufgelöste PIV-Messungen mit Aufnahmefrequenzen bis 800 Hz
durchgeführt, die eine genauere Analyse der Entstehung, der Laufbahn und der Dissipation
der Ablösezelle ermöglichen.
Zahlreiche Veröffentlichungen in internationalen Konferenzen und Zeitschriften dokumentieren diese Arbeit.
9
Hydraulischer Transport
G. Scholz, H.-V. Wömpner, H.-J. Kecke
Zu einem wesentlichen Einsatzgebiet der hydraulischen Förderung hat sich das Dickstoffverfahren zur Förderung von Stoffgemischen, bestehend aus Stäuben und einer Trägerflüssigkeit,
für den Versatz von Hohlräumen im Salinar entwickelt. Der hohe Anteil an feinkörnigen Bestandteilen der zu fördernden Stäube, mit Partikeldurchmesser < 0,1 mm, macht es möglich,
die Transportkonzentration bis zu 50 Volumenprozent zu erhöhen.
Die Dickstofftechnologie hat wesentliche Vorteile:
- staubfreier, behälterloser Transport der Abfälle
- Reduzierung der Transportflüssigkeit und damit mögliche Bindung der
Transportflüssigkeit durch chemische Reaktionen mit den Stäuben bzw. durch
Zugabe von Bindemitteln
- Transport der Dickstoffsuspension durch Rohrleitungen
- Einbringen der Suspension in unzugängliche Hohlräume
- Erreichen bestimmter bodenmechanischer Eigenschaften des Versatzkörpers, z.B. für
die Stabilisierung untertägiger Hohlräume.
Im Rahmen der Grundlagenforschung wurden umfangreiche Untersuchungen zum Transportund Verfestigungsverhalten solcher Gemische vorgenommen, um die Bedingungen für das
Dickstoffverfahren zu ermitteln. Es zeigte sich, dass genaue Analysen der Stoffzusammensetzung und der Stoffumwandlung notwendig sind, um Aussagen zum Transportverhalten (es
liegt kein Newtonsches Fließverhalten vor) zu erhalten.
Am Lehrstuhl bestehen die Voraussetzungen für die strömungstechnischen und rheologischen
Untersuchungen solcher Dickstoffe.
An Rohrförderanlagen mit NW 20 bis NW 50 kann das Fließverhalten des Dickstoffs sowohl
in Abhängigkeit von der volumetrischen Konzentration als auch von der Zeit analysiert werden. Das Dickstoffgemisch wird über Schneckenpumpen der Anlage zugeführt. CoriolisMassendurchflussmesssysteme werden zur Bestimmung des Durchsatzes eingesetzt.
Zusätzlich können in Laborversuchen:
- die Mischbarkeit der Suspensionen, das Absetzverhalten sowie die Grenzen der
Mischbarkeit,
- die Veränderung der Fließeigenschaften durch den Einfluss der Scherung,
- die Eindickung der Suspensionen bis zur Verfestigung durch chemische Umsetzungsvorgänge sowie
- das Verfestigungsverhalten der Suspensionen durch Zugabe von Bindemitteln
analysiert werden.
Über chemische und Phasenanalyse werden sowohl differenzierte Aussagen zu den zu erwartenden chemischen Umsetzungsvorgängen der Stäube mit dem Trägermedium als auch Aussagen zu Reaktionen des in untertägige Hohlräume verbrachten Dickstoffgemisches mit dem
Wirtsgestein abgeleitet.
Im zurückliegenden Zeitraum konnten Projekte, die gemeinsam mit Partnern der Industrie
zum Versatz von Stäuben aus der Müllverbrennung in das Salinar bearbeitet wurden und vom
Bundesministerium für Forschung und Technologie gefördert wurden, erfolgreich abgeschlossen werden.
10
Rheologisches Verhalten von Suspensionen
H.-V. Wömpner, G. Scholz
Das rheologische Verhalten der Suspensionen spielt eine wichtige Rolle bei der Dimensionierung von Förderanlagen im Zusammenhang mit dem Dickstoffverfahren. Bei diesem Verfahren erfolgt die hohlraumfreie Einbringung von Suspensionen (Stäuben aus Müllverbrennungsanlagen, anderen Reststoffen, Bindemitteln und Trägerflüssigkeiten) in Hohlräume des
Bergbaus mit der nachfolgenden restflüssigkeitsfreien Abbindung. Damit soll einerseits die
Bergsicherung und andererseits die sichere Entsorgung nicht verwertbarer Stoffe aus dem
Wirtschaftskreislauf gewährleistet werden.
Die eigenen Untersuchungen konzentrieren sich auf eine umfassende Charakterisierung solcher mineralischer Suspensionen, hier ausschließlich auf das viskose Verhalten mit dem Ziel
einer detaillierten Analyse der Einflussfaktoren. Dabei weisen solche mineralischen Suspensionen im Allgemeinen nicht-Newtonsches Verhalten auf. Neben dem nichtlinearen Fließgesetz sind ab einem bestimmten Feststoffgehalt plastische Eigenschaften nachzuweisen. Die
damit verbundene Fließgrenze besitzt einen großen Einfluss auf das Ausbreitverhalten und
somit auf die hohlraumfreie Verfüllung.
Für diese Untersuchungen stehen unserem Lehrstuhl mehrere hochwertige RotationsRheometer zur Verfügung. Diese Rheometer gestatten sowohl eine scherratengesteuerte Messung (Vorgabe der Drehzahl) als auch eine schubspannungsgesteuerte Fahrweise (Vorgabe
des Drehmomentes). Mit letzterem Modus ist eine Bestimmung der Fließgrenze möglich.
Die messtechnischen Möglichkeiten der vorhandenen Rheometer decken auch die Bestimmungen von Normalspannungen und instationäre Oszillationsmessungen ab. Zwecks Verifizierung können die am Lehrstuhl vorhandenen Rohrförderanlagen verschiedener Nennweiten
genutzt werden.
Dabei sind die rheologischen Eigenschaften nicht einzig auf den eingebrachten Feststoffanteil
zurückzuführen. Die Breite der Bereiche gemessener Fließverhalten, in Abhängigkeit der
Herkunft der Feststoffe, deutet auf Änderungen im Partikelspektrum und im Phasenspektrum
luftgelagertes
hin. Neben den Kornspektren kommt den interpartiRheometer
kularen Wechselwirkungskräften eine dominante
Rolle zu. Das Phasenspektrum der Feststoffphasen
gibt darüber hinaus Hinweise über das Wasserbindevermögen der Feststoffphase. Damit einhergehend
sind eine Vergrößerung des volumetrischen Anteils
der Feststoffphasen und eine entsprechende Änderung im rheologischen Verhalten verbunden. Noch
komplizierter gestaltet sich eine Voraussage des zu
erwartenden viskosen Verhaltens, wenn chemische
Reaktionen der Phasenbestandteile im und mit gelösten Stoffen des Dispersionsmediums stattfinden.
Die Untersuchungen zeigen, dass ohne genaue
Kenntnis des Stoffsystems das viskose Verhalten und
darüber hinaus die angestrebte restwasserfreie Abbindung und insbesondere die angestrebten mechanischen Eigenschaften des Versatzmaterials nicht angegeben werden können.
Solche Untersuchungen dienen somit einer umfassenden Analyse aller Einflussfaktoren.
Die Gruppe am Lehrstuhl beschäftigt sich jetzt verstärkt mit solchen Suspensionen, die eine
Minderung des Reibungsverlustes in turbulenten Strömungen bewirken.
11
Wärmeübergang und Strahl-Wand-Wechselwirkungen bei Sprühprozessen
J. Schmidt, H. Boye, D. Dontschev, M. Könnig, M. Nacheva, G. Popiolek, T. R. Todorov
Sprühstrahlen sind durch eine starke Oberflächenvergrößerung der flüssigen Phase gekennzeichnet und werden häufig in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Die eigenen Untersuchungen konzentrieren sich auf den
•
Wärmeübergang bei der Sprühkühlung (Experimente und Mikro-Makro-Modellierung)
•
und die Strahl-Wand-Wechselwirkungen bei der Benzindirekteinspritzung.
In beiden Fällen ist die Sprühstrahlcharakteristik von entscheidender Bedeutung.
Insbesondere werden die Prozesse beeinflusst durch die
•
lokale Flüssigkeitsbeaufschlagungsdichte
•
Tropfengrößenverteilung bzw. einen mittleren Tropfendurchmesser
•
Geschwindigkeitsverteilung bzw. eine mittlere Geschwindigkeit.
Für unterschiedliche Düsentypen werden diese Größen messtechnisch mittels Patternator und
PDA-System bestimmt. Erfahrungen liegen für die Stoffsysteme Wasser und Benzin bzw. für
Benzinersatzstoffe vor. Der Wärmeübergang und die Strahl-Wand-Wechselwirkungen werden
mit einer infrarotthermographischen Meßmethode und auch mittels Hochgeschwindigkeitsvideotechnik untersucht. Das wesentliche Ziel der Untersuchungen besteht in der Korrelation
der Ergebnisse mit den genannten Strahlparametern und weiteren Einflussgrößen.
Blasensieden
Filmsieden
Messung des Wärmeübergangs
Benzinsprühstrahl-Hochgeschwindigkeitsvisualisierung
(a) Strahl-Wand-Wechselwirkung
(b) Flüssigkeitsfilm (Mikroskop)
Benzindirekteinspritzung: zeitaufgelöste PDA-Messung
Schmidt, J.; Boye, H.: Influence of Velocity and Size of the Droplets on the Heat Transfer in Spray Cooling.
Chem. Eng. Technol. 24 (2001) 3, S. 255-260.
12
Kühlung von Walzdraht und Feinstahl
J. Schmidt, A. Lindemann
Das entstehende Gefüge und die Qualität des Walzgutes werden stark beeinflusst von der
Technologie des Walzprozesses und der Integration innovativer Kühlstrecken in den Gesamtprozess. Derartige Kühlstrecken erfordern eine durchgängige Prozesssimulation, um eine flexible Anpassung an die zu walzenden Materialien/Qualitäten und Durchmesser zu ermöglichen.
Die Untersuchungen konzentrieren sich insbesondere auf
-
den Wärmeübergang in Intensivkühlrohren und
die Auslegung von Luftkühlstrecken (z. B. STELMOR-Verfahren).
Es wurde ein mathematisches Modell entwickelt, welches sowohl den im Intensivkühlrohr
vorherrschenden Wärmeübergang im Bereich des konvektionskontrollierten Filmsiedens als
auch den einphasigen Wärmeübergang bei ruhender und bewegter Innenwand (Draht) beschreibt. Die Grundlage hierfür bilden umfangreiche Untersuchungen zum Einfluss der Turbulenzbuchsen auf den ein- und zweiphasigen Wärmeübergang. Hierfür steht eine Versuchsanlage zur Verfügung, mit der Messdaten zum einphasigen und zweiphasigen Wärmeübergang gewonnen werden können.
Das entwickelte Simulationsprogramm für den Bereich der Luftkühlstrecke basiert auf einem
zweidimensionalen Modell zur Beschreibung des Wärmeübergangs in Abhängigkeit der
Drahtgeometrie und der technologischen Parameter. Zur Verifizierung und Anpassung des
Modells wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen in einem Drahtwalzwerk
durchgeführt.
Beide Simulationsprogramme ermöglichen eine durchgängige Beschreibung des Abkühlprozesses ausgehend vom letzten Walzgerüst bis zum Sammelschacht.
Intensivkühlrohr: schematischer Aufbau und Geschwindigkeitsfelder in Abhängigkeit der Buchsengeometrie
Drahtabkühlung in der Luftkühlstrecke
Lindemann, A.; Schmidt, J.; Boye, H.: Numerical simulation and infrared-thermographic measurement of the
cooling of wire rod. Heat Transfer (2002), Proceedings of the Twelfth International Heat Transfer Conference, S.
735-740.
13
Simulation von Transportprozessen in Mikrokanälen und Membranreaktoren
J. Schmidt, K. Georgieva, I. Mednev, D. Handtke
Für die Analyse des Wärmetransportes in Einlaufströmungen mit kleinen charakteristischen
Abmessungen sowie zur Beschreibung typischer Siedebereiche in Mikroverdampfern wurde
das Programmsystem CHI ++ entwickelt. Dieses basiert auf einer FV-Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen unter Verwendung orthogonaler, strukturierter Gitter sowie konturangepasster Koordinaten und ermöglicht die Durchführung von 3D-Simulationen unter Einschluss
der Chimera-Technik.
In der einphasigen Strömung und im Bereich des konvektiven Siedens können die Simulationsergebnisse mit eigenen experimentellen Untersuchungen verglichen werden. In einem weiteren Anwendungsfall soll CHI++ zur Beschreibung der Transportprozesse in Membranreaktoren genutzt werden. Membranreaktoren bieten insbesondere bei komplexen Reaktionsabläufen den Vorteil einer verbesserten Reaktionsführung durch eine optimierte Dosierung von
Reaktanden bzw. die selektive Ausschleusung von Produkten. Ziele des Projektes sind
•
Analyse und gezielte Beeinflussung des fluidseitigen Wärme- und Stofftransportes zur
Verbesserung von Selektivität/Umsatz und Wärmeabfuhr
•
Entwicklung detaillierter heterogener Modelle für die an katalytisch beschichteten Membranen ablaufenden Prozesse
•
Schaffung leistungsfähiger Simulationswerkzeuge durch den Einsatz mathematisch basierter, effizienter Algorithmen
•
Durchführung numerischer Experimente zum Einfluss von Geometrie und Betriebsparametern
•
Bestimmung des Einflusses der Reaktionskinetik und der speziellen Randbedingungen auf
die lokalen Übergangsbedingungen im Einlaufbereich.
O2
N2
Membran
C2H6
Katalysator
Produktkanal
Produkte
N2
Heterogenes 3-Zonen-Modell (Reaktionsgeschwindigkeit der Ethenbildung)
Temperaturfelder in beheizten Mikrokanälen bei
glatten und strukturierten Wänden
Konzentrationsprofile im katalytischen Membranreaktor (CMC)
(CMC): Ethan (links), Ethen (rechts)
Membranreaktorvarianten
Membranreaktorvarianten
Hapke, I.; Boye, H.; Schmidt, J.: Experimental and Numerical Investigations of Heat Transfer during Flow Boiling in Microchannels; 3rd European Congress of Chemical Engineering, Nürnberg, Proceedings, Wiley-VCH,
6/2001, 5 pages.
14
Simulation von Schweißprozessen
J. Schmidt, S. Cernigovskii, T. Kotsev
Die Gebrauchsfähigkeit eines geschweißten Bauteils wird maßgeblich durch die Nahteigenschaften, die Gefügeausbildung in der Wärmeeinflusszone, die Schweißeigenspannungen und
den daraus resultierenden Schweißverzug beeinflusst. Diese Eigenschaften werden insbesondere durch die örtliche und zeitliche Temperaturverteilung im Werkstück bestimmt.
Die Simulation der Temperaturverteilung gestattet bereits im Vorfeld der schweißtechnischen
Fertigung die Abschätzung qualitätssichernder Schweißparameter, der zu erwartenden Gefüge
sowie der mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Dadurch lässt sich der experimentelle Aufwand bei der Erarbeitung qualitätsgerechter Schweißtechnologien senken.
Eine verlässliche Simulation erfordert die Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen,
die in Abhängigkeit des speziellen Schweißverfahrens durch ein entsprechendes physikalisches Modell erfasst werden müssen. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich hierbei
auf die Simulation der
•
Temperaturverteilung und Nahtausbildung beim Laserstrahlschweißen unter Berücksichtigung der Schmelzbaddynamik
•
Schmelzbadgeometrie, Nahtausbildung und Temperaturverteilung beim MAG-Schweißen
sowie die
•
Entwicklung verfahrensspezifischer Mikromodelle und Einbindung in kommerzielle Programmsysteme.
Simulation Laserstrahlschweißen
Simulation MAG-Schweißen (V-Nahtausbildung)
Mahrle, A.; Schmidt, J.: The influence of fluid flow phenomena on the laser beam welding process. International
Journal of Heat and Fluid Flow 23 (2002), S. 288-297.
15
Verdampfung in Minikanälen und Mikrowärmeübertragern
J. Schmidt, H. Boye, M. Cortina Díaz, J. Jekov, Y. Staate
Die Untersuchungen tragen einerseits Grundlagencharakter und dienen der Messung und Analyse der Transportphänomene, der Siederegime und des Wärmeübergangs in Mikrokanälen.
Andererseits haben sie einen direkten praktischen Bezug und sollen eine Verbesserung der
Auslegungskriterien für Kompaktverdampfer ermöglichen. Die untersuchten Stoffsysteme
orientieren sich u. a. an einer Anwendung in Brennstoffzellenantrieben.
Teilprojekte:
•
Messung und numerische Simulation des Wärmeübergangs,
Verdampfung von Gemischen
(u. a. Methanol/Wasser),
Betriebscharakteristik von Kompaktverdampfern – Vergleich von
Simulation und Experiment.
•
•
Versuchstechnik:
•
•
•
Mikrokanalverdampfer
Kapillarrohrverdampfer
Rekuperativer Verdampfer
Messprinzip:
Versuchsanlage zur Verdampfung in Mikrokanälen
Massenstrom
q&
Thermovision
q& (z ) =
q&U
Pel − q& U (z ) ⋅ A a
Ai
α (z ) =
TWa
q& (z )
TWi (z ) − TS ( p )
Messung:TWa(z), q& u , Pel
TWi
Berechnung: TWi(z)
Elektr. Beheizung
Ergebnisse:
20
q = 17 kW/m²
70
capillary tube
n - octane
m=50 kg/(m²s)
p =3 bar
60
q = 19,3 kW/m²
q = 21,6 kW/m²
α B = 380 W /( m ² K )
50
q = 24 kW/m²
40
30
20
10
0
scaled heat transfer coefficient [-]
scaled heat transfer coefficient [-]
80
α WA
- Waermeatlas
16
αK
- Kandlikar-correlation
14
α
- Experiment
12
αM
- Model
18
capillary tube
n - hexane / n - octane
~
x1= 0,52
m = 50 kg/(m²s)
q = 22,8 kW/m²
p = 3 bar
α B = 320 W /( m ² K )
10
8
α WA / α B
6
αK / αB
α / αB
4
2
αM / αB
0
Wärmeübergangskoeffizienten bei der Verdampfung in Minikanälen
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0
quality [-]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
quality [-]
Hapke, I.; Boye, H.; Schmidt, J.: Flow boiling of water and n-Heptane in micro channels. Microscale Thermophysical Engineering (2002), S. 99-115.
16
Wärmeübergangsmessungen mittels Infrarotthermografie
J. Schmidt, E. Specht, H. Boye, H. Woche, F. Puschmann, J. Al-Karawi, J.Krol, M. Attalla
Mittels Infrarotthermografie wird die örtliche Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten
gemessen. Dazu wird ein dünnes Blech aus Inconel mit einem elektrischen Strom bekannter
Stärke (bis 400 A) und Spannung (bis 7 V) durchflossen. Damit ist der Wärmestrom bekannt.
Die eine Seite des Bleches wird gekühlt. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise ein Luftstrahl, ein Düsenfeld oder ein Wasserstrahlenfeld sein. Je höher die örtliche Kühlwirkung ist,
desto niedriger ist die sich einstellende Temperatur. Auf Grund der geringen Dicke des Bleches ist die Temperatur auf beiden Seiten näherungsweise gleich. Die Temperatur wird auf
der Rückseite mit der Infrarotthermokamera gemessen, und zwar mit einer Genauigkeit von
0,1 K, einer örtlichen Auflösung bis 0,2 mm und einer zeitlichen Frequenz von 2000 pro Sekunde, was für instationäre Vorgänge besonders geeignet ist. Die Rückseite des Bleches ist
geschwärzt, um definierte Messbedingungen zu erhalten. Das Blech kann bis 900 °C erwärmt
werden, so dass bei einer Beaufschlagung mit Wasser die Messung der Film- und Blasenverdampfung möglich ist.
PDA-Analysis unit
PDAReceiver
PDAData
Metal sheet
0.1 - 0.3 mm
IR Analysis
unit
IRpicture
Registration
of operation
conditions
Nozzle
150 l/h
5bar;22°C
IR Radiation
Transmitter
Pump
IR Camera
0.2 mm/Pixel
300 A
Water
Direct current
source
Laser (4 Watt)
Luftkühlung – Düsenfeld
Versuchsanordnung
Anwendungsbereiche:
-
Kühlung von Körpern komplexer Geometrie in Luftdüsenfeldern
Metallkühlung mit Spritzwasser
Metallkühlung mit Sprays (Vermeidung Leidenfrostproblematik)
Wärmeübergangsmessung in Einlaufströmungen mit Querschnittserweiterung
Wärmeübergang in Mikroverdampfern
Díaz, M.C.; Woche, H.; Schmidt, J.; Specht, E.: Measurement of Local Heat Transfer Coefficients of Developing Flows Using IR-Thermography. 7th Int. Conference on Quantitative Infrared Thermography. 5.-8. July 2004,
von Karman Institute, Rhode-St. Genese, Belgium.
Woche, H.; Specht, E.; Schmidt, J.: Messung des lokalen Wärmeübergangs im Einlaufbereich von Rohren nach
Querschnittsänderungen. Chemie Ingenieur Technik 74 (2002), 1711-1714.
Puschmann, F.; Specht, E.: Transient Measurement of Heat Transfer for Metal Quenching with Atomized
Sprays. Experimental Thermal and Fluid Science 28 (2004) 607-615.
Puschmann, F.; Specht, E.; Schmidt, J.: Measurement of Spray Cooling Heat Transfer Using an InfraredTechnique in Combination with the Phase-Doppler Technique and a Patternator. Int. J. of Heat and Technology,
Vol. 19, N. 2-2001, 51 – 56
17
Simulation von Prozessen in Drehrohröfen
E. Specht, S. Agustini, X. Liu, A. Nirmolo, H. Woche, Y. Sonavane, S. Yichun
Zur Modellierung von Prozessen in Drehrohröfen werden für
-
die Materialbewegung
den Wärmetransport und
die Flammenausbreitung
reduzierte mathematische Modelle erarbeitet. Auf deren Basis werden dann gesamte Prozesse
simuliert. Beschrieben wird u. a. der Einfluss der Länge, des Durchmessers, der Drehzahl und
des Füllungsgrades des Drehrohrofens sowie der Eigenschaften des Materials. Für den Quertransport werden mathematische Modelle hergeleitet, mit denen die Gleitlinie, die Geschwindigkeitsprofile und die örtlichen Massenströme beschrieben werden können. Die theoretischen Ergebnisse stimmen relativ gut mit eigenen und fremden Messwerten überein. Für weitere Messungen besteht ein gemeinsames Forschungsvorhaben mit Prof. Dr. P. Walzel von
der Universität Dortmund. Die Flammenausbreitung wird mit dem CFD-Programmsystem
FLUENT berechnet. Untersucht wird u. a. der Einfluss der Luftvorwärmung, der Brennstoffart (Kohle, Öl, Gas), des Dralls und der Brennerkonstruktion. Auf Basis bekannter Theorien werden Zusammenhänge zwischen den Größen und der Brennstoffart hergeleitet. Zur
Beschreibung des komplizierten Wärmetransportmechanismusses werden Modelle für den
Transport über die Wand und in der bewegten Schüttung erarbeitet in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Wand bzw. des Schüttgutes. Zur experimentellen Bestimmung des
Wärmetransportes dient ein Versuchsofen (Innendurchmesser 400 mm), in dem radial und
axial das Temperaturfeld kontinuierlich bis 1100 °C gemessen werden kann. Zusätzlich kann
der axiale Verlauf der Gaskonzentrationen erfasst werden. Der Ofen kann im Gleich- und
Gegenstrom betrieben werden. Verstellt werden können Drehzahl und Neigung.
Temperature profile along the circumference of the rotary kiln
3
3
sand 85 kg/h ; primary air 29 m / h ; natural gas 2.6 m / h
900
φ
800
ω
Temperature [ °C ]
Pendulum
700
600
500
60mm deep
40 mm
20 mm
5 mm
wall
400
300
0
200
-180
-135
-90
-45
0
45
Angle [ φ ] °
90
135
Thermocouples
T (φ , t )
180
φ
sender
Receiver
Temperaturverlauf in Schüttbett und Gas während
der Drehung
Temperaturprofil in Drehrohröfen
Mellmann, J.; Specht, E.: Mathematische Modellierung des Übergangsverhaltens zwischen den Formen der
transversalen Schüttgutbewegung in Drehrohren. Englisch und Deutsch. Zement, Kalk, Gips Int. 54 (2001), 281296 und 380 - 402.
Mellmann, J.; Specht, E.; Liu, X.Y.: Mathematical modelling of cascading bed motion in rotating cylinders on
the basis of measurable bed material properties. AIChE Journal (2004).
Queck, A.: Untersuchung des Wärmetransportes in Drehrohröfen. Dissertation Uni Magdeburg 2002.
Giese, A.: CDF-Simulation zur Ausbreitung von Flammen in Drehrohröfen. Dissertation Uni Magdeburg 2003.
Liu, L.: Experimental and theoretical study of transverse solids motion in rotary kilns. Dissertation Uni Magdeburg 2005.
Agustini, S.: Regeneerative action of the wall on the heat transfer for directly and indirectly heated rotary kilns.
Dissertation Uni Magdeburg 2006.
18
Simulation von Prozessen in Schachtöfen
E. Specht, A. Bes, Z. Waniek
Am Beispiel von Kalkschachtöfen werden die Strömungs-, Temperatur- und Konzentrationsfelder in reaktiven Schüttungen simuliert. Mit dem CFD-Programmsystem FLUENT wird die
Flammenausbreitung in der Schüttung für die radiale und axiale Eindüsung verschiedener
Brennstoffe berechnet. Untersucht wird u. a. der Einfluss des Längen/DurchmesserVerhältnisses des Ofens, der Eindüsungsgeschwindigkeiten, des Lückengrades, der Luftvorwärmung und des Volumenstromverhältnisses.
Der Verlauf der Temperaturen und Konzentrationen wird berechnet unter Berücksichtigung
der gekoppelten Reaktionen der Koksverbrennung und der Kalksteinzersetzung. Untersucht
wird u. a. der Einfluss der Luftzahl, des Kokssatzes, der Korngröße und der Koksart auf den
Energieverbrauch und die Kalkqualität.
Simulation der Verbrennung in der Schüttung eines Schachtofens mit axialer Brennerlanze
und Seitenbrennern
Specht, E.: Kinetik der Abbaureaktionen. Cuvillier Verlag Göttingen 1993
Giese A.; Specht, E.: Einfluss der Form auf die Verbrennung von Kohlepartikeln mit gleichem Siebdurchmesser.
20. Deutscher Flammentag. VDI Berichte (2001)Nr. 1629, 109-114.
Bes, A.; Specht, E.: Lowering Energy Usage of Limestone Calcination in Shaft Kilns by Dynamic Process Simulation. 2nd Int. Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering. Gliwice-Ustron. 21.-25. June
2004, Poland.
Bes, A.: Dynamic Process Simulation of Limestone Calcination in Normal Shaft Kilns. Dissertation Uni Magdeburg 2006.
19
Simulation des Wärmeüberganges und der Guterwärmung in Rollenöfen
E. Specht, M. Chmielowski
In Rollenöfen ist bedingt durch die Transportrollen der Wärmeübergang von Gas an das Gut
an dessen Ober- und Unterseite unterschiedlich. Um Bedingungen für eine Vergleichmäßigung der Guterwärmung aufzustellen, muss der Wärmeübergang auf der Ober- und Unterseite
berechenbar sein.
Für den Kontaktwärmeübergang Rolle-Gut wurde ein mathematisches Modell aufgestellt.
Demnach treten im Kontaktbereich Wärmeübergangskoeffizienten bis 30000 W/ (m 2 ⋅ K ) auf.
Diese Werte wurden mit einer Versuchsanlage verifiziert, bei der der Wärmeübergang über
eine Transportrolle mit elektrischer Innenbeheizung und einem kontinuierlich umlaufenden
Metallband mittels Infrarot-Thermografie gemessen wurde. Für den Wärmeübergang über die
Transportrolle wurde ein vereinfachtes mathematisches Modell entwickelt, mit dem dieser in
Abhängigkeit der Drehzahl, der Materialeigenschaften, des Durchmessers und der Wanddicke
dargestellt werden kann. Demnach behindern die Transportrollen den Wärmeübergang bei
keramischem Gut. Bei metallischem Gut ist dagegen der Wärmeübergang auf der Unterseite
höher als auf der Oberseite.
Für den Wärmeübergang durch Strahlung wird der Einfluss des Rollenabstandes, der Ofenhöhe, der Deckenwölbung, der Gutbreite und des Brennerabstandes untersucht. Anhand der Ergebnisse werden Kriterien zur Vergleichmäßigung der Guterwärmung erarbeitet.
100000
300
Rolle 20 mm
Rolle 60 mm
Rolle 100 mm
Strahlung
2
αε
250
Q* in W/m /K
2
α in W/(m K)
10000
1000
Kontaktbereich
200
150
n = 5 U/min
n = 2 U/min
n = 0.5 U/min
ϑG = 1000°C
αε = 375 W/(m ·K)
D = 60 mm
2
100
100
50
10
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0
4000
0.3
Al2O3
Stahl
6000
8000
10000
SiC
12000
x/R
Wärmeübergangskoeffizient im Kontaktbereich
Von der Rolle übertragener Wärmestrom
in Abhängigkeit vom Wärmeeindringkoeffizienten
Holzapfel, K.-U.; Specht, E.: Wärmeübergang zwischen Transportrolle und Gut im Rollenofen. Gaswärme Int.
48 (1999), 275-280.
Specht, E.; Holzapfel, K.-U.: Compensation of the Heat Transfer on the Upper-Side and Under-Side in Roller
Kilns. Proceedings 5th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, Porto 2000, Vol. 1, 577-586.
Specht, E.; Holzapfel, K.-U.: Heat Transfer between Transport Rollers and Plates. Proceedings 3rd European
Thermal Science Conference, Heidelberg 2000, 701-704.
Kaiser, R.; Specht, E.; Jeschar, R.: Gebrauchsgleichungen für die Guterwärmung bei Strahlung – ermittelt mit
einem genetischen Algorithmus. Gaswärme Int. 49 (2000), 355-358.
Chmielowski, M.; Specht, E.: Einfluss der Transportrollen auf den Wärmeübergang in Rollenöfen. Gaswärme
Int. 52 (2003), 451-455.
Chmielowski, M.: Modellierung der unter- und oberseitigen Wärmeübertragung an plattenförmiges Gut in Rollenöfen. Dissertation Uni Magdeburg 2005.
20
14000
Kühlstrategien zur Vergleichmäßigung der Oberflächenhärte und zur Minimierung des
Verzuges
E. Specht, M. Brzoza, J. Krol; Y. Kaymak
Nach Härteprozessen oder nach der Kühlung von Wärmebehandlungsprozessen treten an den
Werkstücken eine ungleichmäßige Verteilung der Oberflächenhärte und eine unerwünschte
Verformung (Verzug) auf. Insbesondere bei einer Kühlung mit Flüssigkeiten ist der Wärmeübergang auf Grund der Leidenfrostproblematik mit dem undefinierten Zusammenbruch des
Dampffilmes örtlich und zeitlich verschieden. Daher werden neue Kühlverfahren (Verdampfungskühlung, Düsenfeldkühlung) entwickelt, um den örtlichen Verlauf des Wärmeübergangs
gezielt einstellen zu können. Das Temperatur-, Gefüge-, Spannungs- und Dehnungsfeld im
Werkstück wird auf Basis von FEM gekoppelt berechnet. Daraus werden Strategien zur Einstellung des Wärmeübergangsfeldes ermittelt, um die Härte zu vergleichmäßigen und den
Verzug zu minimieren.
Die Berechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit entsprechenden experimentellen
Werten, die am Institut für Werkstofftechnik an der Universität Bremen für Bauteile komplexer Geometrie ermittelt wurden. Für Langprofile aus Stahl wurde gezeigt, dass diese durch
gezielte Wärmeabfuhr verzugsfrei abgekühlt werden können.
Gekerbte Welle
a) Temperaturfeld
b) Spannungsfeld
Schneidwerkzeug
a) Temperaturfeld
b) Spannungsfeld
Mathematische Simulation Abschreckung in einem Düsenfeld
Durch gezielte Einstellung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten lassen sich die Spannungsspitzen abbauen und der Verzug minimieren. Hierzu werden Kühlstrategien entwickelt
und im Experiment die technologische Umsetzung untersucht.
Pietzsch, R.: Simulation des Abkühlverzuges von Stahlprofilen. Technische Mechanik 20 (2000) 265-274
Pietzsch, R.: Simulation und Minimierung des Verzuges von Stahlprofilen bei der Abkühlung. Dissertation Ottovon-Guericke-Universität Magdeburg, 2000
Fritsching, U.; Ohland, J.; Belkessam, O., Lübben, T.; Mayr, P.; Specht, E.; Brzoza, M.: Flexible Gasabschreckung komplexer Bauteile zur Einstellung gleichmäßiger Härte und minimierter Maß- und Formänderungen.
Gaswärme Int. 51 (2002) 227-231.
Specht, E.; Brzoza, M.: Simulation of Structure and Stresses during Quenching of Steel Charges to Minimize
Distortion. Jubilee Scientific conference University of Chemical Technology and Metallurgy. Sofia (Bulgaria)
4.-5. June 2003.
21
Spraykühlung als neues Kühlverfahren für heiße Metalle
E. Specht, J. Krol
Mit der Spraykühlung wird ein neues Kühlverfahren für heiße Metalle experimentell untersucht. In Bild 3 sind Spraykühlung und Spritzwasserkühlung gegenübergestellt. Bei der
Spritzwasserkühlung bildet sich auf der heißen Oberfläche ein Dampffilm aus. Durch den
Einfluss der Kante bricht der Dampffilm am Rand sofort zusammen. Dadurch kommt es zu
einer intensiven Kühlwirkung. Das Temperaturprofil fällt zum Rand hin stark ab. Bei der
Spraykühlung bildet sich kein Wasserfilm aus. Der Wärmeübergangskoeffizient ist der Wasserbeaufschlagungsdichte proportional. Wie mit der in Bild 1 gezeigten Messapparatur nachgewiesen wurde, treten Randeffekte nicht auf. Dadurch entsteht ein ausgeglichenes Temperaturprofil. Wie aus Bild 2 zu erkennen ist, wird bei der Spraykühlung zum erzielen des gleichen Wärmeübergangskoeffizienten wie bei der Spritzwasserkühlung nur 1/10 bis 1/20 der
Wassermenge benötigt. Durch die Vergleichmäßigung des Temperaturprofils, insbesondere
durch die Anhebung der Temperatur im Randbereich, wird mit der Spraykühlung die Qualität
erheblich verbessert. Die Verbesserung besteht in einer Vergleichmäßigung der Oberflächenhärte, dem Abbau von Eigenspannungen an der Kante und einer Verringerung des Verzugs.
Water spray quenching
Spray direction
Atomized spray quenching
Nozzle
Nozzle
Water
Water
Air
Upper area
x
z
Water spray
Film boiling
Edge
IR Camera
Lower area
Metal sheet
Heat-transfer coefficient
αW [W/(m² K)]
mS
0,5 MPa
2500
α
pA
0,2 MPa
Evaporation
quenching
2000
Hot solid
Vapor
mS
ϑS = 900 °C
Water film
Hot solid
Bild 1: Wärmeübergang an Kanten
3000
Fine water
spray
Nucleate boiling
α
1500
Atomized spray
quenching
1000
500
Water spray quenching
0
0
1
2
3
4
5
ϑ
6
Impingement density [kg/(m² s)]
Bild 2: Wärmeübergangskoeffizient bei der
Spraykühlung, Verdampfungskühlung
und Spritzwasserkühlung
ϑ
Bild 3: Vergleich von Spraykühlung und Spritzwasserkühlung
Puschmann, F.; Specht, E.: Spraykühlung als alternatives Kühlverfahren für heiße Metalle. Chemie Ingenieur
Technik 75 (2003) 1625-1628.
Puschmann, F.; Specht, E.: Atomized Spray Quenching as an Alternativ Quenching Method for Defined Adjustment of Heat Transfer. Steel research int. 75 (2004) 283-288.
Puschmann, F.; Specht, E.: Transient Measurement of Heat Transfer for Metal Quenching with Atomized
Sprays. Experimental Thermal and Fluid Science 28 (2004) 607-615.
Puschmann, F.; Specht, E.; Schmidt, J.: Measurement of Spray Cooling Heat Transfer using an InfraredTechnique in combination with the Phase-Doppler-Technique and a Patternator. International Journal of Heat &
Technology, Volume 19, N. 2-2001, 51-56.
22
Ausgewählte Forschungsprojekte – Drittmittel
•
Analyse, Modellbildung und Berechnung von Strömungsmischern mit und ohne chemische Reaktionen
Laufzeit:
12/05 – 11/07
Fördereinrichtung:
DFG
Projektleiter:
Prof. Thévenin
• Direkte numerische Simulation der Flammen/Akustik-Wechselwirkung
Laufzeit:
12/05 – 11/07
Fördereinrichtung:
DFG
Projektleiter:
Prof. Thévenin
• Particle Tracking Velocimetry
Laufzeit:
06/06 – 11/07
Fördereinrichtung:
DFG
Projektleiter:
Prof. Thévenin
•
Verringerung der Abgasemissionen aus der Verbrennung durch die Verwendung von
angeregten Radikalen
Laufzeit:
10/05 – 09/08
Fördereinrichtung:
Kultusministerium LSA
Projektleiter:
Prof. Thévenin
• Volumenstrommessung in einem Belüftungsrohr für Kläranlagenreinigungspumpen
Laufzeit:
12/04 – 03/05
Fördereinrichtung:
Industrie
Projektleiter:
Dr. Wunderlich
•
Entwicklung und gerätetechnische Realisierung einer Messmethode zur Messung des
Luftvolumenstromes in einem Belüftungsrohr für Kläranlagenreinigungspumpen
Laufzeit:
12/04 – 03/05
Fördereinrichtung:
Industrie (KSB Halle)
Projektleiter:
Dr. Pap / Dr. Wunderlich
• Theoretische und numerische Untersuchung der Zulaufbedingungen von Apparaten
Laufzeit:
12/05 – 01/06
Fördereinrichtung:
Industrie (KSB Halle)
Projektleiter:
Dr. Pap / Dr. Wunderlich
• Untersuchung der Luftausgasung und Kavitation in Dieselkraftstoffen
Laufzeit:
01/06 – 02/06
Fördereinrichtung:
R. Bosch GmbH
Projektleiter:
Prof. Thévenin
• Strömungstechnische Optimierung eines Gießsystems für Kupferschmelze
Laufzeit:
08/06 – 11/06
Fördereinrichtung:
Industrie CPI
Projektleiter:
Prof. Thévenin
• CFD-Kurs
Laufzeit:
Projektleiter:
05/06
Prof. Thévenin / Dr.-Ing. Janiga
23
• Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Mineral-Wasser-Suspensionen
Laufzeit:
09/05 – 12/06
Fördereinrichtung:
Industrie / Iratec
• Misch- und Wärmetransportvorgänge bewegter Schüttungen in Drehrohröfen
Laufzeit:
08/01 – 10/07
Fördereinrichtung:
DFG (SP 355/6-1)
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. E. Specht
Mitarbeiter:
M. Sc. S. Agustini, Dr. X. Liu
•
Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen. Themenbereich: Feststoffe unter thermischen Lasten.
Laufzeit:
01/03 – 12/08
Fördereinrichtung:
DFG-Graduiertenkolleg 828
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. E. Specht, Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. M. Nacheva, Dipl.-Ing. Y. Kaymak,
Dipl.-Ing. S. Ulzama, Dipl.-Ing. St. Fest
•
Numerische Simulation
Membranen (CMR)
Laufzeit:
Fördereinrichtung:
Projektleiter:
Mitarbeiter:
der Transportprozesse in Reaktoren mit katalytisch beschichteten
09/05 – 08/07
DFG Forschergruppe 447
Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Dipl.-Ing. G. Geike
•
Simulation thermomechanischer Vorgänge beim Laserstrahlschweißen unter Berücksichtigung transienter Einflüsse im Nahtbereich
Laufzeit:
07/03 – 03/06
Fördereinrichtung:
AiF/GFaI
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Mitarbeiter:
Dr.-Ing. S. Cernigovskii, Dipl.-Ing. T. Kotsev
•
Ermittlung und vergleichende Bewertung der Temperaturabhängigkeit der thermophysikalischen Stoffwerte bis 1600 °C als Simulationsgrundlage von Wärmebehandlungsprozessen und Anlagen
Laufzeit:
10/05 – 09/07
Fördereinrichtung:
AiF
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt; Prof. Dr.-Ing. E. Specht
Mitarbeiter:
Dr.-Ing. J. Al-Karawi, Dipl.-Ing. M. Nacheva,
M. Sc. M. Silva Gonzales
• Ermittlung thermophysikalischer Eigenschaften für Alugussproben
Laufzeit:
04/04 – 03/05
Fördereinrichtung:
Inferta – Institut für Fertigungstechnik im Automobilbau GmbH,
Magdeburg
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Mitarbeiter:
Dr.-Ing. J. Al-Karawi
•
Untersuchung der Spraystabilität von HD-Injektoren für das strahlgeführte Direkteinspritzverfahren bei Ottomotoren
Laufzeit:
11/05 – 12/06
Fördereinrichtung:
LSA-Forschungsschwerpunkt „Automotive“
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Mitarbeiter:
Dipl.-Chem. M. Könnig
24
•
Experimentelle Ermittlung der Sprühstrahlcharakteristiken einer Benzin-Mehrlochdüse
unter Druckkammerbedingungen
Laufzeit:
09/05 – 12/06
Fördereinrichtung:
Volkswagen AG, Wolfsburg
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Mitarbeiter:
Dr.-Ing. H. Boye, Dipl.-Chem. M. Könnig, Dipl.-Ing. G. Geike
Darüber hinaus wurden Forschungsprojekte im Rahmen der Graduiertenförderung des Landes
Sachsen-Anhalt und des DAAD sowie im Rahmen von Kleinverträgen mit verschiedenen
Industriepartnern bearbeitet.
25
Wissenschaftliche Publikationen
Zeitschriften
Lehrstuhl Strömungsmechanik und Strömungstechnik
El-Rabii, H., Gaborel, G., Lapios, J.P., Thévenin, D., Rolon, J.C. and Martin, J.-P., Laser
spark ignition of two-phase monodisperse mixtures. Optics Com. 256(4-6), (2005) 495-506.
El-Rabii, H., Zähringer, K., Rolon, J.-C. and Lacas, F., Laser ignition in an LPP injector.
VDI Ber. 1888, (2005) 325-331.
Fayoux, A., Zähringer, K., Gicquel, O. and Rolon, J.-C., Experimental and numerical determination of heat release in counterflow premixed laminar flames. Proc. Combust. Inst. 30,
(2005) 251-257.
Krause, N., Zähringer, K. and Pap, E., Time-resolved particle imaging velocimetry for the
investigation of rotating stall in a radial pump. Exp. Fluids 39(2), (2005) 192-201.
Laverdant, A. and Thévenin, D., Direct numerical simulation of a gaussian acoustic wave
interaction with a turbulent premixed flame. C. R. Acad. Sc. 333, (2005) 29-37.
Lemaire, A., Zähringer, K., Meyer, T.R. and Rolon, J.-C., Unsteady effects on flame extinction limits during gaseous and two-phase flame/vortex interactions. Proc. Combust. Inst. 30,
(2005) 475-483.
Öncül, A., Elsner, M.P., Thévenin, D. and Seidel-Morgenstern, A., Numerische Untersuchung
der Kristallisation zur Enantiomerentrennung in komplexen Strömungen. Chem. Ing. Tech. 8,
(2005) 1040-1041.
Öncül, A., Sundmacher, K. and Thévenin, D., Numerical investigation of the influence of the
activity coefficient on barium sulphate crystallization. Chem. Eng. Sci. 60, (2005) 5395-5405.
Shalaby, H., Hilbert, R., Laverdant, A. and Thévenin, D., Direct Numerical Simulation of
turbulent reacting flows using accurate physical models. ERCOFTAC Bul. 64, (2005) 35-38.
Thévenin, D., Three-dimensional direct simulations and structure of expanding turbulent
methane flames. Proc. Combust. Inst. 30, (2005) 629-637.
Fernandez Fernandez, A., Brichard, B., Berghmans, F., El-Rabii, H., Fokine, F. and Popov,
M., Chemical composition fiber gratings in a high mixed gamma neutron radiation field.
IEEE Trans. Nucl. Sci. 53(3), (2006) 1607-1613.
Hilbert, R., Janiga, G., Baron, R. and Thévenin, D., Multi-objective shape optimization of a
heat exchanger using parallel genetic algorithms. Int. J. Heat Mass Trans. 49(15-16), (2006)
2567-2577.
Öncül, A., Sundmacher, K., Seidel-Morgenstern, A. and Thévenin, D., Numerical and analytical investigation of barium sulphate crystallization. Chem. Eng. Sci. 61, (2006) 652-664.
26
Lehrstuhl Technische Thermodynamik
Lindemann, A.; Schmidt, J.: ACMOD-2D – A heat transfer model for the simulation of the
cooling of wire rod. Journal of Materials Processing Technology, 169 (2005) 466-475.
Woche, H.; Specht, E.; Schmidt, J.: Local Heat Transfer in Tubes after Sudden Change of
Diameter. Chemical Engineering Technology (2005), 28, No. 6, 677-683.
Berg, A.; Iben, U.; Meister, A.; Schmidt, J.: Modeling and simulation of cavitation in hydraulic pipelines based on the thermodynamic and caloric properties of liquid and steam. Shock
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Georgieva, K.; Mednev, I.; Handtke, D.; Schmidt, J.: Influence of the Operating Conditions
on Yield and Selectivity for the Partial Oxidation of Ethane in a Catalytic Membrane Reactor.
Catalysis Today Volume 104, Issues 2-4 ,2005, Pages 168-176.
Lehrstuhl Thermodynamik und Verbrennung
Chmielowski, M.; Specht, E.: Einfluss der Transportrollen auf die Temperaturverteilung in
plattenförmigem Gut in Rollenöfen. Gaswärme int. 7 (2004) 1-4.
Puschmann, F.; Specht, E.: Atomized Spray Quenching as an Alternativ Quenching Method
for Defined Adjustment of Heat Transfer. Steel research int. 75 (2004) 283-288.
Liu, X.; Mellmann, J; Specht, E.: Factors influencing the rolling bed motion and transversial
residence time of particles in rotary kilns. Cement, Lime, Gypsum int. 58 (2005) 62-73.
Pietzsch, R.; Brzoza, M.; Kaymak, Y.; Specht, E.; Bertram, A.: Minimizing of Distortion of
Steel Profiles by Controlled Cooling. Steel Research int. 76 (2005) 399-407.
Liu; X.; Specht, E.; Mellmann, J.: Slumping-rolling transition of granular solids in rotary
kilns. Chemical Engineering Science. 60 (2005) 3629-3636.
Woche, H.; Specht, E.; Schmidt, J.: Local Heat Transfer in Tubes after Sudden change of Diameters. Chemical Engineering and Technology 28 (2005) 677-683.
Liu, X.; Specht, E; Mellmann, J.: Experimental study of the upper and lower angle of repose
of granular materials in rotating drums. Powder Technology 154 (2005) 125-131.
Brzoza, M.; Specht, E.; Ohland, J.; Ohland; Lübben, Th.; Belkessam, O.; Fritsching, U.;
Mayr, P.: Düsenfeldanpassung bei der flexibler Gasabschreckung zur Vergleichmäßigung des
Härteergebnisses am Beispiel einer abgesetzten Welle. Härterei-Technische Mitteilungen 60
(2005) 166-172.
Woche, H.; Nirmolo, A.; Skroch, R.; Specht, E.: Intensivmischung von radialen Düsenstrahlen mit einer Hauptströmung. Gaswärme International 54 (2005) 301-307.
Junge, K.; Specht, E.; Telljohann, U.; Deppe, D.: Drying of green bricks. Brick and Tile Industry International No 8 (2005) 39-51.
Agustini, S.; Specht, E.: Influence of the Regenerative Heat of the Wall on the overall Heat
Transfer in Rotary Kilns. Cement international 3 (2005), 60-73.
27
Buchbeiträge und Tagungsbände
Lehrstuhl Strömungsmechanik und Strömungstechnik
Bordás, R., Meinecke, D. and Wunderlich, B.: LDV signals provide more information about
bubble flow than used before. In: Workshop on Multiphase Flows: Simulation, Experiment
and Application, Forschungszentrum Rossendorf, Germany, 1-2, 2005.
Janiga, G. and Benke, M.: Numerical simulation of a gas burner. In: microCAD 2005 International Scientific Conference, Section F: Fluid and Heat Engineering, 10-11 March 2005,
Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 646 9, 53-59, 2005.
Janiga, G. and Thévenin, D.: Direct Numerical Simulation of turbulent reacting flows involving dilute particles. In: Direct and Large-Eddy Simulation DLES-6, Poitiers, France, 1-8,
2005.
John, V., Angelov, I., Öncül, A., Sundmacher, K. and Thévenin, D.: Towards the optimal
reconstruction of a distribution from its moments. In: AIChE Annual Meeting, Cincinnati, 113, 2005.
Kalmár, L., Pap, E. and Krause, N.: Comparison of the measured and calculated headdischarge characteristic curves of the radial flow pump. In: microCAD 2005 International
Science Conference, Section F: Fluid and Heat Engineering, 10-11 March 2005, Miskolc,
Hungary, ISBN 963 661 646 9, 61-69, 2005.
Krause, N., Zähringer, K. and Pap, E.: Investigation of rotating stall in a radial pump by timeresolved particle imaging velocimetry. In: 5th International Conference of PhD students, Engineering Sciences I, 14-20 August 2005, Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 673 6, 111-116,
2005.
Öncül, A., Elsner, M., Thévenin, D. and Seidel-Morgenstern, A.: Numerical analysis of the
preferential crystallization of enantiomers in complex flows. In: 12th International Workshop
on Industrial Crystallization BIWIC2005, (Jones, M. J. and Ulrich, J., Eds.), Halle, Germany,
ISBN 3-86010-797-6, 165-172, 2005.
Öncül, A., Elsner, M.P., Thévenin, D. and Seidel-Morgenstern, A.: Numerische Untersuchung
der Kristallisation zur Enantiomerentrennung in komplexen Strömungen. In: GVCDECHEMA-Jahrestagungen, paper 1140, Wiesbaden, Germany, 2005.
Öncül, A., Thévenin, D., Elsner, M. and Seidel-Morgenstern, A.: Numerical analysis of the
preferential crystallization of enantiomers. In: 11th Workshop on Two-Phase Flow Predictions, (Sommerfeld, M., Ed.), Halle-Merseburg, Germany, ISBN 3-86010-767-4, 5.10/15.10/15, 2005.
Pap, E., Krause, N. and Zähringer, K.: Unsteady flow phenomena investigated in radial impeller using time resolved PIV. In: microCAD 2005 International Science Conference, Section F:
Fluid and Heat Engineering, 10-11 March 2005, Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 646 9, 9199, 2005.
Shalaby, H., Laverdant, A. and Thévenin, D.: Interaction of an acoustic wave with a turbulent
premixed syngas flame. In: 12th International Congress on Sound and Vibration, (Bento
Coehlo, J. L. and Alarcao, D., Eds.), Lisbon, Portugal, 635/1-635/8, 2005.
28
Shalaby, H., Thévenin, D. and Laverdant, A.: Using DNS to investigate flame / acoustic interaction. In: Euromech Colloquium 467 on Turbulent Flow and Noise Generation, (Juvé, D.
and Munz, C.-D., Eds.), Marseille, France, 100-103, 2005.
Thévenin, D., Hilbert, R., Shalaby, H. and Janiga, G.: Initial flame propagation in a turbulent
flow. In: ECCOMAS Thematic Conference on Computational Combustion, (Coehlo, P.J.,
Semiao, V. and Toste de Azevedo, J.L., Eds.), Lisbon, Portugal, 25/1-25/20, 2005.
Thévenin, D., Shalaby, H. and Janiga, G.: Accurate DNS of reacting flows: impact of boundary conditions and of physical models. In: First Workshop on Quality Assessment of Unsteady
Methods for Turbulent Combustion Prediction and Validation, Seeheim, Germany, 2.4/12.4/4, 2005.
Thévenin, D., Zähringer, K. and Janiga, G.: Automatic optimization of two-dimensional burners. In: European Combustion Meeting ECM05, Louvain, Belgium, 240/1-240/6, 2005.
Bordás, R., Kuhn, R., Michaelis, B., Thévenin, D. and Wunderlich, B.: Towards the investigation of vortex structures in gas flows with 3D-highspeed Particle Tracking using coloured
tracers. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.
Bordás, R., Öncül, A., Zähringer, K. and Thévenin, D.: Optical measurements in two-phase
flows involving particles. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen,
Germany, 2006.
Imberdis, O., Bensler, H., Hartmann, M., Hentschel, W., Ohmstede, G. and Thévenin, D.:
Visualization and characterization of intake-port model induced turbulent structures. In: 12th
International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.
Janiga, G., Gordner, A., Shalaby, H. and Thévenin, D.: Simulation of laminar burners using
detailed chemistry on parallel computers. In: ECCOMAS CFD, Egmond aan Zee, The Netherlands, 2006.
Janiga, G., Hilbert, R., Baron, R. and Thévenin, D.: Multi-objective shape optimization with
Fluent using parallel genetic algorithms. In: Fluent Forum, Bad Nauheim, Germany, 2006.
Janiga, G. and Thévenin, D.: Numerical optimisation of a laminar burner to reduce CO emissions. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid
Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.
Krause, N., Pap, E. and Thévenin, D.: Investigation of off-design conditions in a radial pump
using time-resolved PIV. In: 13th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 2006.
Krause, N., Pap, E. and Thévenin, D.: Influence of blade geometry on the rotating stall in a
radial pump impeller. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.
Leschka, S., Thévenin, D. and Zähringer, K.: Flow measurements around a static mixer using
Laser-Doppler Anemometry, Particle Image Velocimetry and Laser-Induced Fluorescence. In:
12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.
Leschka, S., Thévenin, D. and Zähringer, K.: Fluid velocity measurements around a static
mixer using laser-doppler anemometry and particle-image velocimetry. In: Conference on
29
Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.
Öncül, A., Niemann, B., Thévenin, D. and Sundmacher, K.: CDF model of a semi-batch reactor for the precipitation of nanoparticles in the droplets of a microemulsion. In: 16th International Symposium on Computer-Aided Process Engineering ESCAPE16, DECHEMA, Garmisch, Germany, 2006.
Shalaby, H., Janiga, G., Laverdant, A. and Thévenin, D.: Visualization of turbulent flames
using Direct Numerical Simulation. In: 12th International Symposium on Flow Visualization,
Göttingen, Germany, 2006.
Shalaby, H. and Thévenin, D.: Influence of the direction of propagation for an acoustic wave
interacting with a turbulent premixed flame. In: GAMM Annual Meeting 2006, Section 9,
(Mehrmann, V. and Paschereit, O.C., Eds.), Berlin, Germany, 2006.
Shalaby, H., Thévenin, D., Phong Bui, T., Schröder, W. and Meinke, M.: DNS/CAA analysis
of the sound field radiated from a turbulent premixed flame. In: 13th International Congress
on Sound and Vibration, (Eberhardsteiner, J., Mang, H.A. & Waubke, H., Eds.), Vienna, Austria, 2006.
Thévenin, D.: Direkte numerische Simulation von Verbrennungsvorgängen. In: Grundlagen
und moderne Anwendungen der Verbrennungstechnik, Universität Erlangen, 2006.
Thévenin, D.: Modelling internal reacting flows. In: Conference on Modelling Fluid Flow
(the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Invited presentation, Budapest, Hungary, 2006.
Wunderlich, B., Hagemeier, T., Thévenin, D. and Bordás, R.: LDV signals provide more information than used before. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International
Conference on Fluid Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.
Lehrstuhl Technische Thermodynamik
Al-Karawi, J.; Schmidt, J.: Application of Infrared Thermography to the analysis of Welding
processes. 7th International Conference on Quantitative Infrared Thermography, Belgium, July
5-8, 2004, H.9.1-H.9.6.
Cortina Díaz, M.; Boye, H.; Hapke, I.; Schmidt, J.; Staate, Y.; Zhekov, Z.: Flow Boiling in
Mini and Microchannels. 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels
(ICMM2004), Rochester, New York USA, June 17-19, 2004, 445-452.
Cortina Díaz, M.; Woche, H.; Schmidt, J.; Specht, E.: Measurement of Local Heat Transfer
Coefficients of Developing Flows Using IR-Thermography. 7th International Conference on
Quantitative Infrared Thermography, Belgium, July 5-8, 2004, D.6.1-D.6.6.
Handtke, D.; Mednev, I.; Schmidt, J.: Convective Heat Transfer in Membrane Reactors. 4th
European Thermal Science Conference, Birmingham U.K., March 29-31, 2004, 8 pages.
Schmidt, J.; Popiolek, G.; Boye, H.; Könnig, M.: PDA-Measurements of Spray Characteristics in the Fuel direct Injection. 4th European Thermal Science Conference, Birmingham U.K.,
March 29-31, 2004, 10 pages.
30
Zhekov, Z.; Staate, Y.; Boye, H.; Schmidt, J.: Experimental Investigation on Boiling Regimes
in Minichannels. 4th European Thermal Science Conference, Birmingham U.K., March 29-31,
2004, 10 pages.
Nacheva, M.; Todorov, T.; Dontchev, D.; Schmidt, J.: Experimental and theoretical Investigation of Spray cooling Heat Transfer on Macro and Micro level. International Symposium on
Heat and Mass Transfer in Spray Systems, Antalya, Turkey 2005, CD-ROM, 10 pages.
Popiolek, G.; Boye, H.; Schmidt, J.: Spray Wall Interaction in Fuel direct Injection. International Symposium on Heat and Mass Transfer in Spray Systems, Antalya, Turkey 2005, CDROM, 10 pages.
Cortina Díaz, M.; Schmidt, J.: Experimental Investigation of Transient Boiling Heat Transfer
in Micorchannels. Engineering Conferences International, ECI. Heat Transfer and Fluid Flow
in Microscale. International Conference Castevecchio Pascoli, Italy 25-30 September 2005, 7
pages, CD-ROM.
Cortina Díaz, M.; Hapke, I.; Schmidt, J.: Numerical study of the Influence of Wall Roughness
on Heat Transfer in Microchannels. Microfluids and Transfer, Euromech Colloquium 472
Grenoble, France September 6-8, 2005, CD-ROM.
Georgieva, K.; Schmidt, J.: Simulation study of the influence of the catalyst layer thickness in
a catalytic membrane reactor. 7th International Conference on Catalysis in Membrane Reactors, Cetraro-CS, Italy, 11-14 September 2005, 209-212.
Lehrstuhl Thermodynamik und Verbrennung
Nirmolo, A.; Woche, H.; Specht, E.: Mixing of Combustible Gases in a Cylindrical Chamber
with Radial Injection of Air. Proceedings of 12th Int. Conference on Modelling Fluid Flow
Technologies, 3. – 6. Sept. 2003 Budapest (Hungary) pp. 301-307.
Giese, A.; Specht, E.: Einfluss der Gaszusammensetzung auf die Flammenlänge in Drehrohröfen. VDI Berichte Nr. 1750 (21. Deutsche Flammentag) (2003) 145-152.
Bes. A.; Specht, E.: Lowering Energy Usage of Limestone Calcination in Shaft Kilns by Dynamic Process Simulation. 2nd Int. Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering. Gliwice-Ustron. 21.-25. June 2004, Poland, 219-224.
Krol, J.; Specht, E.; Puschmann, F.: Atomized Spray for Adjustment of Local Heat Transfer
in Metal Quenching. Int. Symp. On Heat and Mass Transfer in Spray Systems. 5 – 10 June
2005, Antalya (Turkey) (ISBN 1-56700-223-4).
Brzoza, M.; Specht. E.; Ohland, J.; Belkessam, O.; Lübben, T.; Fritsching, U.: Minimizing
Stress and Distortion for Shafts and Discs by Controlled Quenching in a Field of Nozzles. 1st
Int. Conference on Distortion Engineering, 14. – 16. Sept. 2005, Bremen, Germany, 397-404
(ISBN 3-88722-653-4).
Krol, J.; Specht, E.: Influence of Quality of Water and Roughness of Surface on Quenching
Rate. International Conference on Continuans Casting of Non-Ferrous Metals. 14. – 16. Nov.
2005 Neu-Ulm (Germany), 118-123.
Ulzama, S.; Specht, E.: Modeling the reaction mechanism of lumped porous coke particles
during industrial processes. Indian Chemical Engineering Congress 14 - 17 December 2005,
New Dehli.
31
Mitgliedschaften
Prof. Specht
- Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau (FOGI)
- Fachausschuss Wärmetechnik der Deutschen Keramischen Gesellschaft (DKG)
- Ausschuss Thermoprozesstechnik des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute (VdEh)
- Fachausschuss Hochtemperaturtechnik sowie Wärme- und Stoffübertragung der
Gesellschaft für Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC)
- Fachausschuss Strangguss der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM)
- Wissenschaftlicher Rat der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
- Gutachter der AiF (Verfahrenstechnik und Energietechnik)
Prof. Schmidt
- Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI)
- Fachausschuss Wärme- und Stoffübertragung (GVC)
- Wissenschaftlicher Arbeitskreis Technische Thermodynamik (WATT)
Prof. Thévenin
- European Research Community on Flow, Turbulence and Combustion (ERCOFTAC)
- Combustion Institute
Dissertationen
•
Hinke, J.
„Verifizierung der Bedingungen und Verhältnisse beim Dickstoffversatz unter Einbeziehung der Mischtechnik“.
Gutachter: Prof. Kecke, Prof. Thomas, Dr. Städtler (Kali+Salz AG).
Verteidigung: 22. März 2005
•
Jungemann, M.
„1-D-Modellierung und Simulation des Durchflussverhaltens von Hydraulikkomponenten
bei sehr hohen Drücken unter Beachtung der thermodynamischen Zustandsgrößen von
Mineralöl“.
Gutachter: Prof. Iben, Prof. Schmidt, Dr. Egler (Robert Bosch GmbH).
Verteidigung: 18. Mai 2005
•
Chmielowski, M.
„Modellierung der unter- und oberseitigen Wärmeübertragung an plattenförmiges Gut in
Rollenöfen“.
Gutachter: Prof. Specht, Prof. Pötke (Uni Freiberg), r. Bitter (Aichelin GmbH Stuttgart).
Verteidigung: 14. Januar 2005
•
Liu, X.
„Experimental and theoretical study of transverse solids motion in rotary kilns“
Gutachter: Prof. Specht, Prof. Walzel (Uni Dortmund), Dr. Mellmann (Leibnitz Institut
für Agrartechnik Potsdam).
Verteidigung: 19. Mai 2005
32
•
Deppe, D.
„Mechanismus und Beeinflussung von Trockenausblühungen aus Kalziumsulfat bei der
Konvektionstrocknung von Ziegelrohlingen“.
Gutachter: Prof. Specht, Prof. Tsotsas, Dr. Junge (Institut für Ziegelforschung Essen).
Verteidigung: 14. Juli 2005
•
Attalla, M. A. M.
„Experimental Investigation of Heat Transfer Characteristics from Arrays of Free Impinging Circular Jets and Hole Channels“.
Gutachter: Prof. Specht, Prof. El-Moghazy (Aswan University Egypt).
Verteidigung: 21. Dezember 2005
•
Kühne, S.
„Einfluss von Turbulenzverstärkern auf den ein- und zweiphasigen Wärmeübergang im
innenbeheizten Ringspalt“.
Gutachter: J. Schmidt, D. Steinbrecht (Uni Rostock).
Verteidigung: 15. Juli 2005
•
Hapke, I.
„Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Wärmeübergang in Mikrokanälen“.
Gutachter: J. Schmidt, L. Tobiska.
Verteidigung: 03. November 2004
•
Staate, Y.
„Wärmeübergang beim Strömungssieden im Mikrokanal“.
Gutachter: J. Schmidt, D. Steinbrecht (Uni Rostock), F. Seyfried (VW AG, Wolfsburg).
Verteidigung: 13. Dezember 2004
33
Labore, Versuchsstände und gerätetechnische Ausstattung
Neben einer umfangreichen rechentechnischen Ausstattung stehen Labore für die studentischen Praktika und die Forschung sowie größere Versuchsanlagen in zwei Versuchshallen zur
Verfügung.
Neues Rechnerlabor der Strömungsmechanik
- Linux-PC-Cluster (16 Arbeitsplätze, 2 Server)
- Plotter (A0-Format), versch. Farbdrucker
- leistungsfähige Software: insbesondere Fluent und Gambit, TASCFLOW-CFX,
PHOENICS, FEMLAB, Tecplot, CHEMKIN, Autocad...
- automatische Sicherung (1,2 TB) und internes Gigabit-Ethernet-Netzwerk
Server-Raum (oben) und Hauptraum (unten) für das Rechnerlabor der Strömungsmechanik
34
Rechnerlabor der Thermodynamik
- Compute-Server „isut1“ (Sun-Fire V 880, 8 Ultra Sparc III 750 MHz, 32 GByte) und FileServer ”isut2” (Sun-Fire 280R, Ultra Sparc III 750 MHz, 512 MB, 436 GByte RAIDSystem)
- Computer-Server “mima” (HP ES45; CPU: 4x Alpha ES45 68; 1,256 Hz; Festplatte:
12x36GB; RAM: 4x4=16GB; SPECfp_rate 2000: 46; Fluent 5 Fl5L2 Rating: ca.183; Raid
Kontroller Raid 0,1,5
- WINDOWS-Server “isut13” (Betriebssystem: Windows 2000 Server; CPU: 2x PШ
1,4GHz; RAM: 1GB; Festplatte:6x36GB; 2 Kanal Raid Kontroller)
- Scanner (Format A4: 1x HP Scanjet 5470 C 2400 dpi; Format A3: 1x Mustek Paragon A3
SCSI)
- 9 Terminals
- diverse Druck- und Plottertechnik(bis Format A0)
- leistungsfähige Software – u. a. FLUENT, ANSYS, TASCFLOW, TECPLOT, C++ sowie
eigenentwickelte Programmsysteme
Lufteindüsung in eine Nachbrennkammer
Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder beim
Laserstrahlschweißen (Marangonikonvektion
mit variablen Temperaturkoeffizienten)
Machzahlverteilung im Sicherheitsventil
35
Rheologisches Labor
Messmöglichkeiten:
•
Bestimmung rheologischer Eigenschaften durch Aufnahme der :
- Fließkurven τ = f( γ& ), γ& = 10-6....103 s-1
- Bestimmung der Fließgrenze, τmin = 7⋅10-3 Pa
- Kriechversuche, τmin = 7⋅10-3 Pa bis τmax = 6⋅103 Pa
- Oszillationstests, f = 10-3....20 Hz, γ = 0,001...100
- Normalspannungsmessungen
•
Partikelgrössenbestimmung - Messbereich 0,1µm bis 1 mm
•
Bestimmung von Partikelgrösse und Zetapotential - Messbereich 10nm bis 1µm
Gerätetechnik:
Rheologische Parameter:
-
Rheometer RheoStress RS100
(HAAKE Mess-Technik GmbK u. Co.)
-
Rheometer PHYSICA UDS 200
(Physica Messtechnik GmbH)
-
Rheometer Rotovisko RV20
(HAAKE Mess-Technik GmbK u. Co.)
Messkneter (ILKAVISC – Messkneter MKD 0.6-H60)
Partikelgrössenbestimmung:
-
MasterSizer (Malvern Instruments Ltd.)
(mittels Laserbeugung in Flüssigkeit und Luft)
-
ZETASIZER (Malvern Instruments Ltd.)
(Bestimmung von Partikelgrösse und –Zetapotential
mittels Photonenkorrelationsspektroskopie - PCS)
Vicat-Nadel-Gerät für Verfestigungsuntersuchungen
Gerätetechnik zur Stoffaufbereitung:
- Kugelmühle
- Siebung bis 5µm
- Membranfiltration
36
Verbrennungslabor
Laser-Induced-Fluorescence (LIF), Raman und Rayleigh-Streuung, möglicherweise simultan
mit Particle-Imaging-Velocimetry (PIV).
Nd-Yag und Farbstoff-Laser, ICCD und CCD-Kameras, LaVision- und DANTECDatengewinnung.
Windkanal
Völlig rechnergesteuert, Göttinger Bauart, offener oder geschlossener Messabschnitt für Einphasen- (Luft) oder Zweiphasenströmungen (z.B. Luft/Wasser). Abmessungen des Messabschnitts (HxBxL offen/geschlossen): 500x600x1100/1500 mm. Drei Scheiben des geschlossenen Messabschnitts sind optisch durchsichtig (400/450x500 mm), auch für üblichen Laserwellenlängen. Strömungsgeschwindigkeit: ~0.3 bis über 50 m/s, Turbulenzgrad: unter 0.5 %.
Eigenschaften des Sprays: austauschbaren Einspritzungsköpfe, Gegenwärtiger Kopf: SauterDurchmesser einstellbar um 50 Micrometer, Volumenstrom 50 l/h. Erweiterungen sind möglich.
Windkanal mit offener Messstrecke
37
Strömungsmesstechnik-Labor
- Particle Image Velocimetry (PIV)
Ganzfeld-Strömungsmessanlage für Einphasen- und Zweiphasenströmungen
(PIV- und LIF-optische Messtechnik: gepulste Laser, Strahlteiler, Kreuzkorrelationskameras,
Auswerte-Rechentechnik)
- Laser-Doppler-Velocimeter/Anemometer sowie Phasen-Doppler-Anenometer (LDV/LDA
mit PDA-Erweiterung)
(Argon-Ionen-Laser, 50 mW, 488 nm / Halbleiterlaser, 50 mW, 810 nm / Argon-Ionen-Laser,
zweikanalig, 100 mW, 488 und 514,5 nm, Einsatz für Ein- und Zweiphasenströmungen)
-Shadowgrafie
mit ausgeweitetem Laserstrahl als Lichtquelle und einer mit einem Mikroskop verbundenen
Kamera - gestattet die Messung des äquivalenten Durchmessers kleiner Partikel von 5 Mikrometer aufwärts. Für Verifizierungszwecke kann mit der LDV/PDA-Technik getriggert werden. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers lassen sich Geschwindigkeitsmessungen durchführen.
-Stereo-Video-Technik
(3-D-Aufnahmetechnik, virtuelle 3-D-Bilddarstellung vor dem Bildschirm zur Feldausmessung)
38
- Hitzdraht-Anemometer
(zweikanaliges CTA-System, Ma: 0 ... 1 und tragbares CTA-System, w: 0 ... 30 m/s)
Strömungsmechanisches Versuchsfeld / Strömungskanäle
-
Rohrkanal-Prüfstrecke „Hochbehälter-Bassin“, DN 50 ... 100
(Induktive Durchflussmesstechnik / elektronische Differenzdruckmessung /
computergestützte Messdatenerfassung)
-
Kreislauf für Apparate- und Pumpenuntersuchungen, DN 100 ... 150
(regelbare Gleichstromantriebe / induktive Durchflussmesstechnik/elektronische Absolutund Differenzdruck- und Temperaturmessung / regelbare Lufteinspeisung mit thermischer Durchflussmessung/computergestützte Messdatenerfassung)
-
Prüfanlage für hydraulischen Transport und Dickstofftransport
DN 25 / 32 / 50 / 65 / 100 - (Regelbare Kreisel- und Schneckenpumpen / Coriolis- und
induktive Durchflussmesstechnik / elektronische Druckmesstechnik mit skalierbarem
Messbereich / computergestützte Messdatenerfassung)
-
Wirbelströmungsversuchsanlage für Luft
(Strömungskanal mit aufgeprägter Zirkulation)
-
Anlage zur Demonstration verschiedener Durchflussmesstechniken
(Blende, Prandtl-Rohr, Wirbelstrom, Kammerzähler)
-
Anlagen zur Strömungsvisualisierung (elektrolytischer Trog, Rauchkanal)
- Rohrkanalprüfstrecke, offen, DN ... 50
Offener Strömungskreislauf und offener Strömungskanal für Einphasen- (Wasser) und
Zweiphasenströmungen (Wasser / Luft), Zuströmung ... DN 50
(induktive bzw. thermische Volumenstrommessung, regelbare Gleichstromantriebe / induktive Durchflussmesstechnik / elektronische Absolut- und Differenzdruck- und Temperaturmessung / regelbare Lufteinspeisung mit thermischer Durchflussmessung / computergestützte Messdatenerfassung)
-
Schneckenpumpenförderanlage, DN ... 15
(Drehzahlregelbare Schraubenspindelpumpe, Druckmesstechnik)
-
Anlage für Pumpen- und Rohrstrecken-, Rohreinbautenuntersuchungen
(regelbare Kreiselpumpe / Durchflussmesstechnik mittels Schaufelrad-Hall-Sensorik /
Druck- und Differenzdruckmesstechnik)
39
PIV-Labor
Messmöglichkeiten:
-
Ganzfeld-Strömungsausmessung für Ein- und Zweiphasenströmung mittels
(PIV und LIV)
Strömungskreislauf, offen
(hier mit Pumpenversuchsstand)
z
V ideokam era
T raversierein rich tun g
T ran sparen te Pum pe
z
Lich tsch n ittO ptik
L
A
S
E
R
In duktives
D urch flußm eßgereät
W asserbecken
D ruckleitun g
T raversierein rich tun g
D ruckm eßstellen
Saugleitun g
Hilfspum pe
Gerätetechnik:
-
PIV- und LIV-Messtechnik (optische Messtechnik: gepulste Laser, Strahlteiler,
Kreuzkorrelationskameras, Auswerte- und Rechentechnik)
Aufbau des
Pumpenversuchsstandes zur
Lichtschnitttomographie
Transparente Pumpe
Lichtschnittoptik
zur Tragscheibe
planparallele
Gehäusewand
y
Zulauf
CCD-Kamera
Laserlichtschnitt
z
x
Traversierung für den Laserlichtschnitt
Traversierung für CCD-Kamera
Beispiel:
Experimentell ermitteltes Geschwindigkeitsfeld in der Versuchspumpe
120
100
80
60
40
-60
-40
-20
0
20
40
40
60
80
100
Thermoanalytisches Labor
Messmöglichkeiten:
-
spezifische Wärmekapazität cp (T)
Umwandlungsenthalpien
Dichte ρ (T)
thermischer Ausdehnungskoeffizient β (T)
Temperaturleitkoeffizient a (T)
Wärmeleitkoeffizient λ (T)
bis 1600 °C u. a. für
-
Metalle (auch flüssig)
Keramiken
Isolierstoffe
Gerätetechnik:
•
Dynamisches Differenzkalorimeter Netzsch
DSC 404 C Pegasus (20 °C – 1650 °C,
Messfehler < 5 %, Messung in verschiedenen
Atmosphären)
•
Dilatometer Netzsch DIL 402 C
(20 °C – 1700 °C, Messfehler < 3 %)
•
Laser-Flash-Anlage Netzsch
LFA 427 (20 °C – 1600 °C,
Messfehler ± 3 %,
0,001 < a < 10 cm2/s)
•
Thermoanalysator SETARAM TG92
Simultane, kalorische und thermogravimetrische Messungen, DTA/DSC und TG in
Kopplung mit einem Massenspektrometer (Thermolab 1210),
Temperaturbereich –100 °C – 1600 °C.
•
Hot-Disk-Anlage
Bestimmung der Wärmeleitfähigket fester und flüssiger Stoffe
Messbereich: 0,01 – 500 W /( m ⋅ K )
Temperaturbereich: RT bis 230 °C (Kapton-Sensor), RT bis 750 °C (Mica-Sensor)
Lindemann, A.; Schmidt, J.; Todte M.; Zeuner, T.: Thermal analytical investigations of the magnesium alloys
AM 60 an AZ 91 including the melting range. Thermochimica Acta 382 (2002), S. 269-275.
41
Thermografielabor
•
Hochauflösende Infrarot-Thermografie-Systeme
THV 900 und Therma CAM SC 3000 mit verschiedenen Optiken und Vorsatzlinsen sowie folgenden
Leistungsparametern
- Temperaturbereich von –30 °C bis 2000 °C
- örtliche Auflösung bis 0,2 mm pro Pixel
- Bildfrequenz 30 Hz
- Schneller Linescan (ca. 2500 Linien/Sekunde)
- 5°- und 20°-Optik jeweils mit Close-up-Linse
- Auswertesoftware AGEMATM Research
•
Schwarzkörper – Kalibrierstrahler M335 (Mikron)
- Temperaturbereich von 300 bis 1500 °C
- Hohlraumdurchmesser 17 mm
- Hohlraumtiefe 150 mm
•
Sika-Hochtemperaturkalibrator TP28850
- Temperaturbereich: Umgebungstemperatur bis 850 °C
- Blockbohrung 18 mm, Tiefe 100 mm
- verschiedene Übergangshülsen
Walzgutkühlung
Das Thermografiesystem wird in vielen Forschungsprojekten, insbesondere auch zur Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei vom
Niedertemperatur- bis in den Hochtemperaturbereich.
Vergleich von sanierter und unsanierter Fassade
Erwärmung eines Schwimmers
Gießpfanne
Schmelzbad beim Schweißen
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Thermodynamik-Labor
Das Thermodynamiklabor dient insbesondere auch dem
studentischen Praktikum. Folgende Demonstrations- und
Versuchsanlagen stehen zur Verfügung:
•
Stirling-Motor und Kältemaschine (Leybold)
•
Kaltdampfprozeß mit PC-Datenerfassung (GUNT)
•
Dampfdruckbestimmungsapparatur und
Drosselkalorimeter (Armfield)
•
Kalibrierung von Druckmessgeräten (GUNT)
•
Demonstrationseinheit
- Strömungssieden
- Behältersieden mit PC-Datenerfassung (GUNT)
•
Demonstrationseinheit Klimatisierung/Zustandsänderungen feuchter Luft (Hilton)
Wärmetechnisches Labor
•
Hochtemperaturöfen
- Rohrofen CARBOLITE bis 1600 °C
- Rohrofen CARBOLITE bis 1200 °C
- Muffelofen Nabertherm bis 1700 °C
•
Gasanalysetechnik
•
Feuchtigkeitsbestimmer Sartorius
•
Versuchsstand zum Wärmeübergang in Rollenöfen
43
PDA-Labor
Messmöglichkeiten
•
•
•
•
•
•
Geschwindigkeitsverteilungen (1 m/s bis ± 150 m/s)
Tropfen- bzw. Blasengrößenverteilungen ( 1μm − 500μm , „Dynamikbereich“ 1:50)
Lokale Massenstomdichten (mittels Patternator)
Düsenuntersuchungen in einer Sprühkammer
zeitaufgelöste Einzeleinspritzungen (Drücke bis 200 bar)
unterschiedliche Stoffsysteme, u. a. Wasser, Benzin, n-Heptan
Gerätesysteme
•
2D-Faseroptisches-Phasen-Doppler-Anemometer (Aerometrics)
-
•
•
Wellenlängen λ1 = 514,5 nm und λ2 = 488 nm
Brennweiten 1000 mm, 500 mm, 250 mm
PC-Pentium/NT 4.0
Data VIEW-NT
•
•
Argon-Ionen-Laser mit 4 Watt Leistung (Firma Lexel)
x-y-z-Traversiereinrichtung (Firma Isel) mit 800 mm, 2000 mm und 2000 mm Traversiermöglichkeit
Tropfengeneratoren
Hitzdrahtanemometer (Dantec)
•
Coherent CoronaTM Laser System
-
Diodengepumpter, acousto-optic
Q-Swiched Nd-YAG Hochleitstungslaser
Ausgangswellenlänge: 532 um
Taktfrequenz: 5 – 25 kHz
Pulsweite bei 10 kHz: 160 usec
Pulsenergie bei 10 kHz: 7,5 mJ
Mittlere Leistung bei 10 kHz: 75 W
Strahlcharakteristik einer Flachstrahldüse
44
Versuchsanlagen im Technikum
•
Wärmeübergang im Intensivkühlrohr (Ringspalt)
Die Versuchsanlage ist in ihren wesentlichen Elementen auf den industriellen Kühlprozess
von Walzdraht in Intensivkühlrohren unter Verwendung von Tubulenzbuchsen ausgerichtet. Sie gestattet eine Variation der Systemparameter in den folgenden Bereichen
- Wärmestromdichte
- Massenstomdichte
- Druck
- Kühlwassertemperatur
q& = 0,01...10 MW / m 2
m& = 400...12000kg /(m 2 s )
p = 1...10bar
ϑ KW ,ein = 20...80°C
und verfügt über eine rechnergestützte Messwerterfassung und –auswertung.
•
Düsenkammer
- Versorgungsanschlüsse für Ein- und Zweistoffdüsen
- Wasservorheizung
- Messwerterfassung
- Hochleistungsstromquellen für Wärmeübergangsmessungen
•
Kompaktwärmeübertrager – Versuchsstand
Messung von Druckverlusten und Betriebscharakteristiken für rekuperativ betriebene
Kompaktwärmeübertrager bei ein- und zweiphasigem Betrieb
•
Kapillarrohrverdampfer
Wärmeübergangsmessungen bei unterschiedlichen charakteristischen Längen (Durchmesser 0,5 – 3,0 mm), verschiedene Stoffsysteme; Volumenstrom und Heizleistung entsprechen dem Mikrokanalverdampfer
•
Mikrokanalverdampfer
- Volumenstrom:
2,5 - 250 ml/min bzw.
30 - 3000 ml/min
- realisierbare Druckerhöhung: max. 6 bar
- Heizleistung:
max. 6 kW
- Vorlauftemperatur:
max. 95 °C
- Wandtemperatur:
max. ca. 500 °C
•
Messplatz für Benzin-Einspritzdüsen
- Variation von Düsenhalterung und
- Einbauwinkel
- Raildruck von 5 bar bis 150 bar
- Einzelschussauslösung und
- Düsensteuerung mit Triggersignal
Messplatz für Benzindirekteinspritzung
45
Technikum Drehrohröfen
Direkt beheizte Drehrohröfen
Innendurchmesser:
Länge:
Feststoffdurchsatz:
Leistung:
Produkttemperatur:
Drehzahl:
Neigungswinkel:
250 mm
6m
< 50 kg/h
20 – 70 kW
bis 1000 °C
0 – 3 min-1
-1° - 2°
400 mm
4m
< 150 kg/h
20 – 70 kW
bis 1200 °C
0 – 6 min-1
-1° - 2°
Bei allen Drehrohröfen werden die Temperaturen im Bett, in der Wand und im Gas radial und
axial kontinuierlich gemessen. Dazu ragen an verschiedenen Längen Thermoelemente unterschiedlich tief in das Drehrohr. Durch eine spezielle Messtechnik können die Messdaten kontinuierlich aufgezeichnet werden. Mit einer axial in das Drehrohr ragenden Sonde können die
Konzentrationen im Gas gemessen werden.
Bei allen Drehrohröfen ist Gleichstrom-, Gegenstrom- und Batchbetrieb möglich.
An Drehrohrsegmenten mit einer Glassscheibe an der Stirn wird das Bewegungsverhalten
verschiedenster Materialien untersucht.
46
Serviceangebote
•
Experimentelle Bestimmung und numerische Berechnung von Um- und Durchströmungsfeldern in ruhenden und rotierenden Systemen bei Ein- und Zweiphasenströmungen
•
Druckverlust- bzw. Durchflußbestimmung, Kennwertermittlung für Durchströmungselemente
•
Rheologische Untersuchungen, Fließverhaltensbestimmung von Flüssigkeiten, Suspensionen und nicht Newtonschen Fluiden
•
Untersuchungen zur Parameterbestimmung für hydraulische Transportanlagen
•
Numerische Strömungs- und Temperaturfeldberechnungen, Analyse und Bewertung von
Wärmetransportvorgängen
•
Infrarotthermografische Untersuchungen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung
•
Untersuchung von Intensivkühlprozessen und Kühlstreckenauslegung
•
Messung der Betriebscharakteristik von Klein- und Mikro-Wärmeübertragern bei ein- und
zweiphasigem Betrieb
•
Durchführung von Thermoanalysen (simultane thermogravimetrische und kalorische Messungen, TG, DTA, DSC, LFA) bis 1600 °C und Bestimmungen von λ,ρ, c, a , ß(T )
•
Messung von Geschwindigkeitsverteilungen sowie Partikelgrößen- und –dichteverteilungen mittels faseroptischer Lasersysteme (2 Komponenten LDA und PDA)
•
Düsenuntersuchungen (Sprühstrahlcharakteristiken und Wärmeübergang, insbesondere an
hoch erhitzten Oberflächen) sowie Ermittlung von Sprühstrahl-Wand-Wechselwirkungen
•
Berechnung der Spannungen, der Gefügezusammensetzung und der Formänderung bei der
Kühlung von Metallen
•
3D-Simulation des Strömungs- und Temperaturfeldes mit CFD-Programmsystemen für
Ofenräume und Brennkammern
•
Numerische und experimentelle Prozesssimulation in Schacht-, Drehrohr- und Rollenöfen
47
14:
10:
Lehrstuhl Strömungsmechanik
und Strömungstechnik
Lehrstuhl Thermodynamik und
Verbrennung
Lehrstuhl Technische
Thermodynamik
Lageplan
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