Am Institut für Strömungstechnik und

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1 Folge 10 Im Profil In regelmässiger Folge stellen wir Ihnen an dieser Stelle die wichtigsten Institutionen und Organisationen im Bereich der industriellen Gasanwendungstechnik vor. In dieser Ausgabe zeigt sich das Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik im Profil. Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik der Ottovon-Guericke-Universität Magdeburg Am Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg werden Industrieofenprozesse beginnend von der Energieerzeugung (Verbrennung) über die Erwärmung und Wärmebehandlung bis zu Gutkühlung untersucht. Der Gesamtprozess wird mathematisch modelliert und simuliert. Soweit wie möglich werden die Simulationen mit Messergebnissen validiert. Hierzu stehen eine Reihe von Laboröfen und ein Versuchsdrehrohrofen bis C zur Verfügung. Insbesondere werden thermische Prozesse in Drehrohröfen, Schachtöfen und Tunnelöfen behandelt. Zur Untersuchung der Kühlung steht ein Versuchsstand zur Verfügung, mit dem über IR-Technik das Temperaturfeld mit hoher Auflösung gemessen werden kann. Zur Messung von Stoffwerten und des Produktverhaltens (Schmelzenthalpien, Reaktionsenthalpie, spez. Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, spez. Oberflächen usw.) stehen eine Reihe von Geräten wie LFA, DTA, DSC bis C bei einstellbaren Gasatmosphären zur Verfügung. Das Bild 1 gibt eine Übersicht über den Aufbau der Forschungsarbeiten. Die thermischen Prozesse in Industrieöfen werden analysiert, modelliert und schließlich simuliert, um die Wirkung der Vielzahl von Einflussgrößen erläutern und quantifizierbar machen zu können. Das Ziel dieser Modellierungen besteht stets darin zum einen die Öfen schneller und sicherer auslegen zu können und andererseits Prozesse beeinflussen zu können hinsichtlich der Steigerung der Produktqualität und Senkung des Energieverbrauches. Basis der Modellierung ist stets die örtliche Vertei- Bild 1: Übersicht der Forschungsarbeiten gaswärme international 99

2 Im Profil Folge 10 lung der Energieerzeugung. Dazu werden die Flammen und die Strömung im Ofen mittels CFD numerisch berechnet. Die speziellen Wärmeübergangsmechanismen werden analysiert. So weit möglich wird der Wärmeübergang an speziellen Versuchsanlagen und Versuchsöfen experimentell bestimmt. Der Strahlungsaustausch wird mit verschiedenen Modellen berechnet. Gegebenenfalls wird noch das spezielle Reaktionsverhalten in verschiedensten Anlagen gemessen. Die thermophysikalischen Stoffwerte (Wärmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazität, Dichtänderung) können bis C gemessen werden. Bild 2: Brennkammer mit Radialeindüsung Bild 3: Temperaturfelder in einer Brennkammer bei einstufiger Lufteinblasung Bild 4: Einfluss der Düsenzahl und von J/n 2 auf die Temperaturdifferenzen Energieerzeugung Flammen und Strömungen werden mit dem CFD-Programm Fluent berechnet. Bild 2 zeigt als Beispiel das Temperaturfeld in einer Brennkammer, in der über zwei Reihen Luft eingedüst wird zum Ausbrand von Schwachgasen. Von besonderem Interesse ist, bei welcher Düsenanzahl n und bei welchem Düsendurchmesser d nach einem bestimmten Mischweg eine weitgehende Temperaturhomogenität über den Querschnitt erreicht wird. Die Analyse der Berechnungen zeigt, dass die Temperaturhomogenität von der dimensionslosen Eindringtiefe h/r des Luftstrahls abhängig ist, wobei R der Radius der Brennkammer ist. Als bestimmende physikalische Größe für die Eindringtiefe wurde das Verhältnis der dynamischen Drücke J (auch als Impulsstromverhältnis bezeichnet) ermittelt. Bild 3 zeigt Temperaturprofile bei unterschiedlichen Impulsstromverhältnissen J/n 2. Der linke Rand der Bilder repräsentiert die Kanalwand und der rechte Rand die Kanalmitte. Die Umlenkung des radialen Düsenstrahls ist im Wesentlichen schon nach 0,25 Durchmessern abgeschlossen. Eine Erhöhung des radial zugeführten Gasstromes vergrößert die Werte J/n 2 und führt zu einer Verschiebung der Strömungsbahnen in Richtung Kanalmitte. Die kleinsten Temperaturdifferenzen nach einer Länge von 2 Durchmessern ergeben sich bei J/n 2 = 0,3. In Bild 4 werden die Temperaturdifferenzen nach einem Mischweg von 2 Durchmessern in Abhängigkeit von J/n 2 gegenübergestellt. Parameter ist die Anzahl der Düsen n. Für alle untersuchten Düsenzahlen bildet sich bei J/n 2 = 0,3 ein relatives Minimum. Bei Düsenzahlen bis 20 führen Abweichungen von J/n 2 = 0,3 nach oben als auch nach unten stets zu einer Vergrößerung der Temperaturdifferenzen im Brennkammerquerschnitt. Ist die Düsenzahl 24 und höher, so wird durch eine Überschreitung von J/n 2 = 0,3 eine weitere Reduzierung der Temperaturdifferenzen bewirkt. Für eine vorgegebene Düsenanzahl n kann mittels der Randbedingung J/n 2 = 0,3 der optimale Düsendurchmesser d bestimmt werden [1]. Analog werden für die radiale und axiale Eindüsung von Brennstoffen in Schachtöfen und für Brenner in Drehrohröfen die Bedingungen für eine optimale Temperaturvergleichmäßigung erforscht. Drehrohröfen Drehrohröfen besitzen ein komplexes Bewegungsverhalten des granularen Gutes. Bei Korngrößenverteilungen, was üblich ist, kommt es durch Segregation zu Entmischungseffekten. Das Bewegungsverhalten kann Slumping, Sliding oder Rolling sein. Der Füllungsgrad und damit die Wärmeübertragungsflächen verändern 100 gaswärme international

3 Folge 10 Im Profil sich mit der Ofenlänge. Zur Beschreibung dieser Mechanismen des Bewegungsverhaltens wurden mathematische Modelle entwickelt [2, 3] und durch eine Vielzahl von Versuchen an Drehrohrsegmenten validiert. Bild 5 zeigt als Beispiel das Bewegungsverhalten bei Einbauten. Hierbei wird der Einfluss der Form und der Anzahl der Hubschaufeln für verschiedene Drehrohrdurchmesser und Drehzahlen auf den Wärmeübergang untersucht. Der Wärmeübergang im Querschnitt von Drehrohröfen ist ebenfalls komplex. Wärme wird durch Strahlung und Konvektion direkt auf die freie Gutoberfläche und an die Wand übertragen. Von der an die Wand übertragenen Wärme wird ein Teil an das Gut reflektiert, ein Teil durch die Wand zur Umgebung geleitet (da Drehrohre aus Festigkeitsgründen nicht gedämmt werden können, treten bis zu 30 % Wandverluste auf) und der restliche Teil wird gespeichert und durch die Drehung unter das Festbett transportiert, wo die Wärme durch Kontakt an das Bett abgegeben wird. Zur Beschreibung des Wärmetransportes wurden wiederum vereinfachte mathematische Modelle entwickelt, die in Prozessmodelle implementiert werden können [4, 5, 6]. Zur Validierung dieser Modelle werden innerhalb des bewegten Festbettes die Temperaturfelder gemessen. Das axiale Temperaturfeld in Drehrohröfen hängt stark vom Ausbrand des Brennstoffs und der Flammenlänge ab. Aufbauend auf den Arbeiten [7, 8] wird daher untersucht, wie mit den Einstellungen und Auslegungen von Brennern die Flamme für verschiedene Brennstoffe beeinflusst werden kann. Bei der Prozesssimulation kann somit der Einfluss der Länge, des Durchmessers, der Drehzahl, des Durchsatzes und des Energieverbrauches des Drehrohrofens sowie der Eigenschaften des Materials beschrieben werden. In Bild 6 sind als Beispiel der axiale Temperaturverlauf des Gutes, des Gases, der Innenwand und der Außenwand für die Erwärmung eines Quarzgutes gezeigt [9]. Die Wandtemperaturen sind wichtig zur Auslegung des Feuerfestmaterials und zur Ermittlung der Wandverluste. Mit der Simulation kann u. a. gezeigt werden, wie sich mit der Flammenlänge der Temperaturverlauf des Feststoffes unter Einhaltung der Qualitätsbedingungen so beeinflussen lässt, dass Energie eingespart werden kann. Weiterhin kann gezeigt werden, dass durch die Substitution von Kohle durch Erdgas zwar CO 2 eingespart werden kann, jedoch der Energieverbrauch zunimmt. Schachtöfen Bei Schachtöfen wird hauptsächlich das Brennen von Kalk simuliert. Je nach Anforderungen an die Reaktivität und die Qualität des Kalkes kommen verschiedene Typen von Schachtöfen zum Einsatz. Aufbauend auf den Arbeiten [10, 11, 12] werden Calcinationsprozesse in Normalschachtöfen (RCE), Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativ-Öfen (GGR), Ringschachtöfen und koks- oder anthrazit-befeuerte Mixed-Feed-Kilns simuliert. Dabei wird auch der Einfluss von Korngrößenverteilungen betrachtet. Wichtig ist auch hierbei die Simulation der Flammenausbreitung und radialen Vermischung [13]. Ziel der Simulationen ist u. a., durch welche Maßnahmen die Qualität vergleichmäßigt werden kann, wie die Öfen bei Absatzschwankungen geregelt werden müssen, in welcher Form Brennstoffe ausgetauscht werden können und wie dadurch der Druckverlust verändert wird gaswärme international Bild 5: Bewegungsverhalten bei Einbauten mit steigender Drehzahl Bild 6: Axiale Temperaturverläufe bei der Erwärmung eines Quarzgutes im Drehrohrofen Bild 7: Prinzip der Solid-Solid-Rekuperation im Gegenlauf- Tunnelofen 101

4 Im Profil Folge 10 Tunnelöfen Das Brennen von keramischen Produkten in Tunnelöfen, wie Ziegel, Steinzeug, Porzellan, Sanitär, etc., hat einen vergleichsweise noch geringen Wirkungsgrad. Unter dem Wirkungsgrad wird die aufgewendete Energie zur theoretisch benötigten Mindestenergie verstanden. Diese Mindestenergie setzt sich aus der Sinterungsenthalpie und der Verdampfungsenthalpie des Anmachwassers zur Plastifizierung der Rohstoffe zusammen. Bezogen auf diese Mindestenergie beträgt der tatsächliche Energieverbrauch ein Mehrfaches, wobei allerdings berücksichtigt werden muss, dass die Transporthilfsmittel ein Mehrfaches der Netto- Gut-Masse betragen können. Folglich besteht bei diesen Prozessen ein beträchtliches Potenzial zur Energieeinsparung. In der neuen Auflage des Dubbels ist vom Autor gezeigt worden [14], wie durch eine Erhöhung des Wärmeübergangs im Ofen der Wärmeübergang erheblich reduziert werden kann. Dies erfordert veränderte Ofenkonzepte. So müssen Kühl- und Brennzone entkoppelt werden. Die Trockner müssen autark betrieben werden, da diese dann energetisch besser optimiert werden können [15, 16, 17]. Die vorgewärmte Kühlluft wird im Ofen selbst verwendet. Die Atmosphäre in der Vorwärmzone wird durch Heißluftventilatoren umgewälzt. Hierzu wird die Strömung für verschiedene Besätze simuliert und untersucht, wie die Ventilatoren am besten angeordnet werden müssen, um bei geringer elektrischer Leistung einen hohen Wärmeübergang und eine homogene Temperaturverteilung im Querschnitt zu erhalten. Der axiale Temperaturverlauf im Ofen wird ebenfalls simuliert, wobei der Schwerpunkt auf der Modellierung des Wärmeübergangs bei verschiedenen Besätzen liegt. Hierbei muss berücksichtig werden, dass je nach Anordnung der Brenner die Wärme von den Flammen durch Gasstrahlung und Konvention sowohl an das Gut als auch an die Transporthilfsmittel übertragen wird. Von diesen wird dann wiederum Wärme durch Festkörperstrahlung an das Gut übertragen. Folglich müssen die Temperaturverläufe des Gutes, des Gases, der Transporthilfsmittel und des Wagens berechnet werden. Um zu zeigen, wie weit eine Reduzierung des Energieverbrauches möglich ist, wurde das Brennen von Ziegeln und Fliesen in einem Gegenlaufofen untersucht [18]. Bild 7 zeigt den Querschnitt eines solchen Ofens. Durch zwei parallele Tunnelsegmente wird der Besatz entgegengesetzt durch den Ofen gefahren. Zwischen beiden Segmenten wird die Atmosphäre mit Ventilatoren umgewälzt. Dadurch kann die zur Kühlung der heißen Ziegel im linken Teilbild erwärmte Luft im rechten Teilbild zur Erwärmung der kalten Ziegel genutzt werden. In der Brennzone wird die Atmosphäre durch Hochgeschwindigkeitsbrenner umgewälzt. Hier muss nicht so viel Wärme übertragen werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Ofenprozess selbst mit einem Energieverbrauch von nur 0,5 MJ/kg betrieben werden kann. Optimierte autarke Trockner kommen mit 0,85 MJ/kg aus, so dass der gesamte Prozess 1,35 MJ/kg benötigt. Die tatsächlichen Energieverbräuche in Tunnelöfen zum Brennen keramischer Produkte liegen ein Mehrfaches darüber. Entsprechende Simulationen für die Guterwärmung wurden auch für Rollenöfen durchgeführt [19, 20]. Intensivkühlung von Metallen Die Intensivkühlung von Metallen, wie dies beim Strangguss nach Austritt aus der Kokille und bei Härtungsvorgängen der Fall ist, wird für verschiedene Kühleinrichtungen an einer speziellen Anlage untersucht. Hierzu werden Metallbleche der Abmessungen 150 mm x 200 mm in einem Ofen erwärmt (je nach Metall bis C) und anschließend vor die Kühleinrichtung gezogen. Diese kann aus Kokillensegmenten bestehen, aus denen Strahlen austreten oder aus Feldern mit Düsen. Die Vorderseite der Bleche wird dann gekühlt und das Temperaturfeld auf der Rückseite mit einer Infrarotthermokamera gemessen. Die Auflösung beträgt Bilder pro Sekunde, 0,1 mm örtlich und 0,1 Kelvin Unterschiede [21, 22, 23, 24]. Bild 8 zeigt das Temperaturfeld beispielhaft für eine Bild 8: Infrarotaufnahmen der Ausbreitung der Be netzungsfront eines Feldes aus vier Düsen Bild 9: Abkühlkurven für verschiedene Wässer 102 gaswärme international

5 Folge 10 Im Profil Kühlung mit vier Düsen. Untersucht wird der örtliche Wärmeübergang im Bereich der Film- und Blasenverdampfung sowie die Leidenfrost- und DNB-Temperatur in Abhängigkeit der Düseneinstellungen, der Metallart und der Oberflächenrauhigkeit. Bild 9 zeigt Abkühlkurven bei der Verwendung verschiedener Wässer, die von Industriefirmen zur Untersuchung geliefert wurden. Die Kühlwirkung ist signifikant unterschiedlich. Die Kühlzeiten bei Verwendung von destilliertem Wasser Di und dem Wasser C2 unterscheiden sich fast um den Faktor zwei. Gelöste Salze und Gase beeinflussen in starkem Maße die Leidenfrostund DNB-Temperatur. Beide Temperaturen steigen etwa linear mit der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers an. Spannungen und Verzug bei der Kühlung Die Auswirkungen der Intensivkühlung auf Spannungen und Verzug werden sowohl für Erstarrungsvorgänge beim Strangguss als auch bei Härtevorgängen von Werkstücken aus Stahl untersucht [25, 26, 27, 28]. Die dabei benötigten thermophysikalischen Stoffwerte (Dichte, Wärmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazität, Phasenumwandlungsenthalpien) werden mit verschiedenen Geräten bis C temperaturabhängig gemessen [29]. Insbesondere wird untersucht, wie durch eine gezielte örtliche Beeinflussung des Wärmeübergangs die Spannungen reduziert werden können. Literatur [1] Arioso Nirmolo: Gas Mixing in Cylindrical Chambers after Radial Jet Injection with and without Combustion. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [2] Xiaoyan Liu: Experimental and theoretical study of transverse solids motion in rotary kilns [3] Yichun Shi: The outflow behaviour of particles at the discharge end of rotary kilns [4] Andreas Queck: Untersuchung des gasund wandseitigen Wärmetransportes in die Schüttung von Drehrohröfen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [5] Silvia Agustini: Regenerative action of the wall on the heat transfer for directly and gaswärme international indirectly heated rotary kilns. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [6] Sonavane Yogesh: Influence of the Wall on the Heat Transfer Process in Rotary Kiln [7] Anne Giese: Numerische Untersuchungen zur Bestimmung der Flammenlänge in Drehrohröfen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [8] Hassan Fawzy Mohamed Elattar: Flame Simulation in Rotary Kilns Using Computational Fluid Dynamics. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [9] Fabian Herz: Entwicklung eines mathematischen Modells zur Simulation thermischer Prozesse in Drehrohröfen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [10] Duc Hai Do: Simulation of Lime Calcinations in Normal Shaft and Parallel-Flow- Regenerative Kilns. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [11] Thomas Schwertmann: Untersuchung des Optimierungspotentials des Ringschachtofens zum Brennen von karbonatischem Gestein [12] Magda El-Fakharany: Process Simulation of Lime Calcination in Mixed Feed Shaft Kilns [13] Zhiguo Xu: Reduced Model for Flow Simulation in the Burner Region of Lime Shaft Kilns [14] Becker, F.; Gelbe, H.; Mörl, L.; Specht, E.: Thermischer Apparatebau und Industrieöfen. Dubbel 23. Auflage, 2011, Springer Verlag. [15] Dirk Deppe: Mechanismus und Beeinflussung von Trockenausblühungen aus Kalziumsulfat bei der Konvektionstrocknung von Ziegelrohlingen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [16] Uta Telljohann: Theoretische und experimentelle Untersuchung der Trocknung plastisch geformter Ziegelrohlinge. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [17] Anne Tretau: Einfluss der Prozessführung auf den thermischen Energiebedarf von Konvektionstrocknern in der Ziegelindustrie [18] Ping Meng: Solid-Solid Recuperation to Improve the Energy Efficiency of Tunnel Kilns [19] Kai-Uwe Holzapfel: Einfluss der Transportrolle auf den Wärmeübergang in Rollenöfen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [20] Miroslaw Chmielowski: Modellierung der unter- und oberseitigen Wärmeübertragung an plattenförmiges Gut in Rollenöfen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [21] Guido Bleiker: Filmverdampfung von Einzeltropfen auf heißen Oberflächen. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [22] Frank Puschmann: Experimentelle Untersuchung der Spraykühlung zur Qualitätsverbesserung durch definierte Einstellung des Wärmeübergangs. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [23] Mohamed Attia Mahmoud Attalla: Experimental Investigation of Heat Transfer Characteristics from Arrays of Free Impinging Circular Jets and Hole Channels. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [24] Umair Alam: Experimental Study of Local Heat Transfer during Quenching of Metals by Spray and Multiple Jets. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [25] Robert Pietzsch: Simulation und Minimierung des Verzuges von Stahlprofilen bei der Abkühlung. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [26] Miroslaw Brzoza: Reduzierung von Eigenspannungen und Verzug von Stahlbauteilen durch örtliche Beeinflussung der Abkühlung. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [27] Yalcin Kaymak: Simulation of Metal Quenching Processes for the Minimization of Distortion and Stresses. Dissertation OvG Universität Magdeburg, [28] Ashok Kumar Nallathambi: Thermomechanical Simulation of Direct Chill Casting [29] Mónica Silva González: Experimental investigation of the thermophysical properties of new and representative materials from room temperature up to 1300 C. Dissertation OvG Universität Magdeburg, Autor: Prof. Dr.-Ing. E. Specht Kontakt: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT) Universitätsplatz Magdeburg Tel.: 0391/ Fax: 0391/

6 Vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Praxishandbuch Feuerfeste Werkstoffe Aufbau Eigenschaften Prüfung Dieses Taschenbuch vermittelt einen detaillierten Überblick über Aufbau, Eigenschaften, Berechnungen, Begriffe und Prüfung feuerfester Werkstoffe und gibt wertvolle Tipps für die tägliche Arbeit. In der Neuaufl age dieses Klassikers wurden einige Kapitel von neuen Autoren grundlegend überarbeitet, der Anhang ergänzt, Normen- und Literaturlisten auf den neuesten Stand gebracht und das Stichwortverzeichnis deutlich erweitert. Dadurch wird der Nutzwert des Werks für die tägliche Berufspraxis eindeutig erhöht. Für jeden, der berufl ich mit der Feuerfestindustrie oder der Thermoprozesstechnik zu tun hat, ist dieses kompakte Buch, mit seiner Fülle von Informationen, ein unersetzliches Nachschlagewerk. Für den komfortablen Gebrauch mit dem Notebook unterwegs oder mit dem Computer am Arbeitsplatz sorgt die DVD, die neben ergänzenden Zusatzinformationen das e-book mit dem gesamten Buchinhalt enthält. Hrsg. G. Routschka / H. Wuthnow 5. Aufl age 2011, 500 Seiten mit vielen farbigen Abbildungen, DVD, Hardcover Buch + DVD mit Zusatzinhalten und vollständigem e-book Vulkan-Verlag Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 201 / oder im Fensterumschlag einsenden Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht Ex. Praxishandbuch Feuerfeste Werkstoffe + DVD 5. Aufl age 2011 ISBN: für 100,- (zzgl. Versand) Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer Gutschrift von 3,- auf die erste Rechnung belohnt. Firma/Institution Vorname/Name des Empfängers Straße/Postfach, Nr. Land, PLZ, Ort Telefon Telefax Antwort Vulkan-Verlag GmbH Versandbuchhandlung Postfach Essen Branche/Wirtschaftszweig Bevorzugte Zahlungsweise Bankabbuchung Rechnung Bank, Ort Bankleitzahl Kontonummer Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in Textform (z.b. Brief, Fax, ) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die Datum, Unterschrift PAPFW52011 rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, Huyssenallee 52-56, Essen. Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pfl ege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst, gespeichert und verarbeitet. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich vom Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per , nicht über interessante Fachangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

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