Industrieofentechnik

Domi­nik Büsch­ge­ns, M. Sc.

Grup­pen­lei­ter & Ansprechpartner

Fach­be­rei­che

Pro­zess­mo­del­lie­rung, Wär­me­be­hand­lung, Wär­me­über­tra­gung, Strö­mungs­me­cha­nik, Strukturmechanik

Aktivitäten

Zur Stei­ge­rung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen ist ein tief­grei­fen­des Ver­ständ­nis der vor­lie­gen­den strö­mungs- und wär­me­tech­ni­schen Vor­gän­ge essen­ti­ell. Die Pro­zes­se wer­den dazu expe­ri­men­tell oder mathe­ma­tisch abge­bil­det und anschlie­ßend unter­sucht bezie­hungs­wei­se optimiert.

Die Arbeits­grup­pe ver­fügt dafür über eine Viel­zahl von Ver­suchs­stän­den, wel­che mit umfang­rei­cher und moder­ner Mess­tech­nik aus­ge­stat­tet sind. Wei­ter­hin wer­den die expe­ri­men­tel­len Metho­den durch ana­ly­ti­sche, (semi-)empirische Model­le und nume­ri­sche Simu­la­tio­nen (CFD/FEM) ergänzt. Eine Kom­bi­na­ti­on aus expe­ri­men­tel­len, ana­ly­ti­schen und nume­ri­schen Unter­su­chun­gen ermög­licht dabei eine umfang­rei­che Abbil­dung der phy­si­ka­li­schen Vorgänge.

Wärmeübertragung in Thermoprozessanlagen

Die Unter­su­chung der Abküh­lung eines Gutes durch erzwun­ge­ne Kon­vek­ti­on spielt eine wich­ti­ge Rol­le in der Ther­mo­pro­zess­tech­nik. Hier­für ist die loka­le Strö­mungs­ver­tei­lung in Gut­nä­he rele­vant für den Wär­me­über­gang zwi­schen Gut und Flu­id. Dies beein­flusst maß­geb­lich die mög­li­chen Abkühl­ra­ten, die wie­der­um einen direk­ten Ein­fluss auf die Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten haben. Aktu­el­le For­schungs­ar­bei­ten beschäf­ti­gen sich hier sowohl mit Gas- als auch mit Was­ser­küh­lung und den damit ver­bun­de­nen Her­aus­for­de­run­gen an die Prozessführung.

Für den Bereich strah­lungs­do­mi­nier­ter Öfen arbei­tet die Arbeits­grup­pe an Pro­zess­mo­del­len zur fle­xi­blen Char­gen­pla­nung und der Vor­her­sa­ge der Gut-Durch­wär­mung, um Pro­zess­zei­ten mög­lichst kurz und damit ener­gie­ef­fi­zi­ent zu gestalten.

Fluid-Struktur-Interaktion

Strö­mung in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen kann zu uner­wünsch­ten Phä­no­me­nen wie düsen­in­du­zier­ter Band­schwin­gun­gen in Glüh­li­ni­en oder Schwe­be­band­öfen füh­ren, die wie­der­um eine Beschä­di­gung des Ban­des oder Gutes her­vor­ru­fen kön­nen. Eben­so kön­nen wich­ti­ge Anla­gen­kom­po­nen­ten in Kom­bi­na­ti­on mit hohen Tem­pe­ra­tu­ren beschä­digt wer­den. Bei­spiel­wei­se sind hier Ven­ti­la­to­ren zu nen­nen, die unter bestimm­ten Ope­ra­ti­ons­zu­stän­den (z.B. Dreh­zah­len, Dros­sel­zu­stän­den, etc.) durch Anre­gung der Eigen­fre­quenz ver­sa­gen kön­nen. Hier forscht die Arbeits­grup­pe neben expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen, auch an Mög­lich­kei­ten zur zuver­läs­si­gen nume­ri­schen Model­lie­rung sol­cher Phänomene.

Hochflexible Wärmebehandlung von Blechteilen

Der insti­tuts­ei­ge­ne Glüh­si­mu­la­tor ermög­licht die Durch­füh­rung von maß­ge­schnei­der­ten Wär­me­be­hand­lun­gen, mit deren Hil­fe ein opti­ma­ler Glüh­zy­klus für metal­li­sche Pro­ben abge­lei­tet wer­den kann. Dazu kön­nen belie­bi­ge Schutz­gas­at­mo­sphä­ren (bis zu 100% Was­ser­stoff), sowie rasche Auf­heiz- und Abkühl­ra­ten ein­ge­stellt wer­den. Die eben­falls am Insti­tut vor­han­de­ne modu­la­re Wär­me­be­hand­lungs­an­la­ge ermög­licht neben der Abküh­lung mit Luft auch eine Abküh­lung mit Was­ser unter belie­bi­gen Düsen­fel­dern, sowie ein geziel­tes Anlas­sen von Pro­ben mit Abmes­sun­gen von max. 350×350 mm².

Wärmebehandlung und Sinterung von Bauteilen

Am Insti­tut ste­hen eine Rei­he von Wär­me­be­hand­lungs­öfen, dar­un­ter Rohr­öfen und Kam­mer­öfen für den Schutz- oder Reak­tiv­gas­be­trieb bis hin zu einer indus­tri­el­len Vaku­um-Wär­me­be­hand­lungs­an­la­ge mit Hoch­druck­gas­ab­schre­ckung, zur Ver­fü­gung. In die­sen Öfen kön­nen Ver­su­che zur Wär­me­be­hand­lung oder Sin­te­rung von Bau­tei­len in einem gro­ßen Tem­pe­ra­tur­be­reich (max. 1600°C) und unter unter­schied­lichs­ten Atmo­sphä­ren durch­ge­führt werden.

Strukturelle Integrität, Lebensdaueroptimierung und Vorhersage

Neben der Betrach­tung der Wär­me­über­tra­gung und Strö­mungs­füh­rung in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen spielt in vie­len Anwen­dun­gen auch die ther­misch indu­zier­te Span­nungs­ver­tei­lung der Anla­gen­kom­po­nen­ten (z.B. Strahl­heiz­roh­re, Düsen­käs­ten) eine Rol­le. Durch die Anwen­dung von nume­ri­schen Metho­den (z.B. FEM) kön­nen Ther­mo­span­nun­gen in Abhän­gig­keit der Tem­pe­ra­tur­ver­tei­lung und der Ein­spann­si­tua­ti­on berech­net und Bau­teil­ver­sa­gen vor­her­ge­sagt wer­den. Eine Kom­bi­na­ti­on mit Kriech­mo­del­len lässt es zu, die ther­mi­sche Span­nungs­mo­del­le zu Model­len der Lebens­dau­er­vor­her­sa­ge zu erweitern.

Projekte

Laufende Projekte

  • Dezen­tra­le Was­ser­stoff­auf­be­rei­tung von Bio­gas durch Dampf­re­for­mie­rung – BioH2Ref (BMWK)
  • CO2-neu­tra­ler Saint-Gobain Stand­ort Her­zo­gen­rath Mach­bar­keits­un­ter­su­chun­gen – COSI­Ma (progres.NRW)
  • Ent­wick­lung eines Ofen­mo­dells für eine Band­ver­gü­te­li­nie – Heat­Steel (progres.NRW)
  • Wär­me­über­tra­gung bei Ober­flä­chen­kon­tak­ten in Vor­wärm- und Wär­me­be­hand­lungs­pro­zes­sen (AiF IGF)
  • Seman­ti­sche Inter­ope­ra­bi­li­tät hete­ro­ge­ner Pro­zess­mo­del­le unter Ein­bin­dung von Pro­zess­da­ten zur Qua­li­täts­ver­bes­se­rung und Ener­gie­ein­spa­rung bei gekop­pel­ten Umform- und Ther­mo­pro­zes­sen der Metall­in­dus­trie (AiF IGF)
  • Ver­bes­se­rung der Wär­me­über­tra­gung in Rohr­bün­del­re­ku­per­a­to­ren durch Ein­satz struk­tu­rier­ter Roh­re (AiF ZIM)
  • Neu­es Tun­nel­ofen­kon­zept zur Ein­spa­rung von fos­si­ler Ener­gie und CO2 beim Bren­nen von Zie­geln (AiF IGF)
  • Stei­ge­rung der ther­mo­me­cha­ni­schen Sta­bi­li­tät von Quer­strom­ven­ti­la­to­ren für den Ein­satz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen (AiF IGF)
  • Defi­nier­te Ein­stel­lung von Wär­me­über­gangs­pro­fi­len in Sprüh­dü­sen­fel­dern zur Opti­mie­rung der Wär­me­be­hand­lung in Band­durch­lauf­an­la­gen (AiF IGF)

Abgeschlossene Projekte

  • Wär­me- und werk­stoff­tech­ni­sche Aus­wir­kun­gen von Was­ser­stoff­at­mo­sphä­ren bei der Wär­me­be­hand­lung (AiF IGF)
  • Ent­wick­lung metal­li­scher Hoch­leis­tungs­re­ku­per­a­to­ren für die Erschlie­ßung neu­er Ein­satz­ge­bie­te (AiF ZIM)
  • Wär­me­tech­ni­sche Cha­rak­te­ri­sie­rung von Ober­flä­chen­kon­tak­ten (AiF IGF)
  • Ober­flä­chen­ver­grö­ße­rung und Lebens­dau­er­erhö­hung von Strahl­heiz­roh­ren durch den Ein­satz struk­tu­rier­ter Ble­che (AiF IGF)
  • Neu­es Tun­nel­ofen­kon­zept zum ener­gie­ef­fi­zi­en­ten Bren­nen von Zie­geln (AiF IGF)
  • Ent­wick­lung eines inter­ak­ti­ven Char­gen­pla­nungs­sys­tems für Plas­ma­ni­trier­an­la­gen (AiF ZIM)
  • Ent­wick­lung einer inno­va­ti­ven heiß-iso­sta­ti­schen Pres­se zur kom­bi­nier­ten Ver­dich­tung und Wär­me­be­hand­lung von Halb­zeu­gen und Bau­tei­len (AiF ZIM)
  • Ein­fluss der Wär­me­über­tra­gung auf die Pro­zess­sta­bi­li­tät kon­ti­nu­ier­li­cher Band­an­la­gen (AiF IGF)
  • Ent­wick­lung von Quer­strom­ven­ti­la­to­ren für den Ein­satz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen (AiF IGF)
  • Vor­rich­tung zur Mes­sung von gro­ßen Volu­men­strö­men bei hohen Ein­satz­tem­pe­ra­tu­ren in Indus­trie­öfen (AiF IGF)
  • Sta­bi­li­täts­be­trach­tun­gen für metal­li­sche Bän­der unter dem Ein­fluss von Düsen­fel­dern (AiF IGF)
  • Ent­wick­lung eines Mehr­la­gen-Kam­mer­ofens für das Press­här­ten von Blech­pla­ti­nen für den Auto­mo­bil­bau mit dem Ziel der Ver­bes­se­rung der Wirt­schaft­lich­keit (AiF ZIM)
  • Vor­rich­tung zur Volu­men­strom­mes­sung bei der Hoch­kon­vek­ti­ons­wär­me­be­hand­lung (AiF IGF)