Thermische Simulation eines Thermoblocks der Metrohm AG in Zusammenarbeit mit CADFEM (Suisse) AG
Agenda Einführung Aufgabenstellung Physikalische Grundlagen Thermo-mechanische Kopplung Methode, Modell Ergebnisse, Bewertung, Nutzen Know-How Transfer Abschluss + 1
Einführung: Metrohm / Rancimat Die Metrohm AG in Herisau ist Entwickler und Hersteller von Elektrochemischen Messgeräten und Titriergeräten. ph-meter Chromatographie Rancimat Titration Voltammetrie Ein Rancimat wird verwendet, um die Beständigkeit gegen Ranzigwerden zu messen. Ranzig ist der Zustand in den Öle zerfallen u.a. durch Oxidation. Probe wird geheizt und mit Luft angeblasen, die flüchtigen Stoffe werden zur Analyse weitertransportiert. 2
Einführung: CADFEM: FEM Software and Services CADFEM CAE Software & Services 25+ years experience 140+ employees 40 Mio. revenue Central Europe: 12 offices 100+ ANSYS technical & sales engineers 50+ different seminar topics Master of Engineering: Applied Computational Mechanics Worldwide through partners & TechNet Alliance CAE Software Seminars Support Consulting
Einführung: Heizblock Der Heizblock heizt die zu untersuchenden Proben definiert auf. Es muss klar sein, wie schnell die Probe aufgeheizt wird. Die Temperatur muss anschliessend präzise gehalten werden. Einbauort Heizblock 4
Aufgabenstellung und Zielsetzung Metrohm hat Entwicklungsprojekt für Heizblock genutzt, um gleichzeitig eine FE-Software für den Eigengebrauch zu evaluieren. CADFEM (Vertreiber von ANSYS in DACH mit eigener Consultingabteilung) wurde daher mit einem Aufgabenheft zur thermischen Simulation des Heizblocks angefragt. Anforderungen an den Heizblock und die Simulation: Temperatur-Bereich: 50 bis 220 C, einstellbar in 1 C-Schritten Temperatur-Genauigkeit: Bereich 50...220 C: ± 0.3 C, Temperatur-Stabilität: ± 0.1 C (mind. über 24 h) Abschalt-Temperatur: 250 C (nach Möglichkeit einstellbar) Temperatur zw. Messplätzen: ± 0.3 C (a-d) Aufheizzeiten: für 120 C 40 min, für 220 C 60 min 5
Aufgabenstellung und Zielsetzung Probe Aufbau Rot/Blau verschiedene Wärmequellenanordnungen Übertragung an Probe über Aluminium-Block Aussen Isolation und Gehäuse Zu berechnen Aufheizzeit Heizelement Leistung um Temperatur zu halten bei 50 C, 100 C und 200 C Vergleich der Ergebnisse für die Anordnung der Heizung unten oder seitlich 6
Physikalische Grundlagen Arten der Wärmeübertragung Heat Transfer Energie-Transport von einem Medium höherer Temperatur zu einem Medium tieferer Temperatur Beispiel: Wärmeleitung in einem Stab Freie Konvektion (Free convection) (macroscopic movement of molecule groups) Strahlung (Radiation) energy transfer by electromagnetic waves Wärmeleitung (Thermal Conduction ) (molecular activity) Wärmequelle (Heat generation) 7
thermo-mechanische Kopplung mit ANSYS Möglichkeiten: starke (direkte) Kopplung auf Elementebene, thermische und Struktur-Gleichungen werden gleichzeitig gelöst Schwache (sequentielle) Kopplung mit einer thermischen und einer Strukturanalyse die Daten austauschen und nacheinander (auch mehrmals) ablaufen. Thermische Eigenschaften die von Struktur abhängen: Druckabhängige Wärmeleitfähigkeit in Kontakten Verformungsinduzierte Wärme Struktureigenschaften die von Temperatur abhängen: Materialeigenschaften (Elastitzitätsmodul, ) Wärmeausdehnung Temperaturen Temperaturgleichungen Strukturgleichungen 8 Verschiebungen Kontaktdruck Verformungsarbeit Reibarbeit
Methode / Modell Für das Heizelement wurde eine statische Strukturanalyse mit Schraubenvorspannung durchgeführt, um Verteilung des Anpressdrucks zu bestimmen. Mit diesem Anpressdruck wurde die Leitfähigkeit des Kontaktes variiert. (Entscheidung für sequentielle Einweg-Kopplung) 9
Methode / Modell Die Geometrie wurde aus dem CAD-System importiert. Ein Viertel der Gesamtgeometrie wurde ausgeschnitten und in die Simulation übernommen (Ausnutzen der Symmetrie um Modellgrösse zu reduzieren). 10
Methode / Modell Definition der Materialparameter Wärmekapazität und leitfähigkeit, wo relevant temperaturanhängig Thermische Kontakte zwischen den Einzelteilen mit Wärmeleitfähigkeit parametrisiert für Sensitivitätsstudie. Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit über Formel von Yovanovitch, die Wärmeleitfähigkeit der Materialien, Oberflächenrauheit und Anpressdruck berücksichtigt. Vernetzung mit wenigen Element- Grösseneinstellungen, sonst automatisch. Randbedingungen Konvektion, Wärmeerzeugung in Heizelementen P-Regler für Temperaturhaltesimulation über Kommando-Sprache (APDL) implementiert. PID-Regler auch möglich. 11
Temperatur [ C] Ergebnisse: Aufheizverhalten Der Vergleich Simulation - Messung ergibt sehr geringe Unterschiede im Aufheizverhalten. Vergleich Simulation vs. Messung 185 165 145 125 105 85 65 45 25 Simulation Messfühler Simulation Probe Mitte Simulation Probe Aussen realer Wert MF Pt-100 Block [ C] realer Wert GLP-Set mit Oel Ext. Sensor Mitte [ C] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Zeit [s] Pos. Validierungs- Temp.sensor Pos. Regelungs- Temp.sensor 12
Temperatur ( C) Ergebnisse: Temperatur Halten / Regeln Die Regelung hält die Temperatur am Messfühler im Bereich 50 bis 53 C Die resultierende Probentemperatur schwankt zischen 49.5 C und 52 C Um Überschiessen der Temperatur zu vermindern könnte Heizleistung reduziert werden oder schlauer geregelt werden. 55 TEnde=50 C 50 45 40 35 30 Messfühler Probe 1 Probe 2 Video einfügen 25 0 500 1000 1500 2000 Zeit (s) 13
Nutzen Ergebnisse auch an Stellen, an denen nicht gemessen werden kann Förderung physikalisches Verständnis Nötige Halteleistungen für verschiedene Probentemperaturen konnten bestimmt werden => Dimensionierung Heizung und Regelung Berechnung von verbesserten Varianten ohne Prototypenbau Probenabstand Reduktion Gesamtabmess. Länge: -30mm, Breite: -20mm Isolationsaufbau konnte optimiert werden Herstellkosten reduziert: -40CHF / Gerät Gewicht reduziert: -1.5kg / Gerät Schnellere Aufheizzeit: 25min -5min =20min Messungen am Prototypen bestätigen Berechnungsergebnisse: 14 Simulation Messung Halteleistung für Probentemperatur 200 C 19W 19.7W Manteltemperatur bei Probentemperatur 200 C 38 C 37 C
Aufwand CADFEM 130h 11750 CHF exkl. Mwst 15
Know-How Transfer Resultate aus Simulation dienen der Bewertung der Softwareevaluation Evaluation fliesst in reales Projekt ein, Resultate können aktuell verwertet werden CADFEM konnte Know-How aufbauen in Gebiet des Kunden Anschliessende Einführung in die ANSYS Software und Ausbildung der Metrohm Ingenieure war sehr praxisnah an Hand der gemachten Erfahrungen aus dem Projekt. Anschliessender technischer Support der Metrohm Ingenieure erfolgt ebenfalls praxisnah. Effizienter Einstieg in FEM Methode und Sicherheit die richtige Entscheidung getroffen zu haben. 16
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! CAE Software Seminars Support Consulting 17