Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der thermomechanischen Stabilität von Querstromventilatoren für den Einsatz in Thermoprozessanlagen

Thermoprozessanlagen werden, unter anderem, zur Vorwärmung und Wärmebehandlung von Stählen, Nicht-Eisen-Metallen und nichtmetallischen Werkstoffen eingesetzt. Im Temperaturbereich bis ca 800 °C haben sich dabei Anlagen mit zwangsumgewälzter Atmosphäre, sogenannte "Hochkonvektionsöfen" etabliert. Querstromventilatoren sind radial ansaugende und radial aublasende Gebläse, welche eine hohe Strömungsgleichmäßigkeit über die gesamte axiale Länge des Ventilators erzeugen. Thermoprozessanlagen, welche je nach Prozess verschiedene Anforderungen an die Strömungs- und Temperturgleichmäßigkeit stellen, können mit Querstromventilatoren ohne druckverlustintensive Strömungsgleichrichter gebaut werden, damit sinkt die benötigte Leistung für den Umwälzventilator bei gleichbleibender oder höherer Strömungsgleichmäßigkeit /Produktqualität.

Bisher werden Querstromventilatoren bei Temperaturen bis 300 °C eingesetzt. Im angestrebten Projekt soll die Einsatztemperatur erhöht werden. Damit soll mit Hilfe von numerischen Strukturberechnungen ein Ventilator nach Festigkeitskriterien und bewusster Inkaufnahme von Einbußen bei den strömungstechnischen Eigenschaften entworfen und anschließend experimentell untersucht werden. Die strömungstechnischen Einbußen werden ebenfalls numerisch und

experimentell Untersucht, um einen wirtschaftlich sinnvollen Kompromiss zwischen Lebensdauer und Wirkungsgrad zu finden.

Anlagenbauer (teilweise kmU) wird ermöglicht neue Typen von Thermoprozessanlagen mit einer höheren Produktqualität und geringerem Energieverbrauch zu konzipieren. Anlagenbetreiber (je nach Branche teilweise bis überwiegend kmU) profitieren durch eine gesteigerte Produktqualität aufgrund der hohen Strömungsgleichmäßigkeit sowie durch die energieeffizientere Gestaltung ihrer Prozesse aufgrund der verringerten Ventilatorleistung. Ventilatorhersteller (überwiegend kmU) erschließt sich ein neues Marktsegment durch die Lieferung von Querstromventilatoren für Thermoprozessanlagen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes konnte ein thermomechanisch optimiertes Querstromventilator Funktionsmuster simuliert, konstruiert und gefertigt werden. Dieses Funktionsmuster konnte im vorhandenen Heißversuchsstand des IOB eingebaut und mit den Messwerten eines Referenzventilators verglichen werden. Dazu wurde der Versuchsstand um ausführliche Messtechnik erweitert. Der Versuchsstand ermöglicht eine Untersuchung der Querstromventilatoren bei für die Aluminium Industrie prozessrelevanten Temperaturen von bis zu 550°C. Dabei konnten verschiedene prozessrelevante Drosselzustände und Betriebsdrehzahlen untersucht werden. Bei den Untersuchungen konnten sowohl Ergebnisse zur strömungsmechanischen Leistung als auch zum Schwingungsverhalten von Querstromventilatoren gewonnen werden.

Die Untersuchungen tragen zu einer Vertiefung des Verständnisses von Querstromventilatoren mit thermomechanischer Langzeitstabilität bei. Es konnten Simulationsmodelle zur Auslegung von Querstromventilatoren mit thermomechanisch erhöhter Stabilität entwickelt werden. Diese haben zum erweiterten Verständnis von möglichen Ansätzen zur Erhöhung der thermomechanischen Stabilität beigetragen. Es konnten sowohl funktionierende als auch weniger vielversprechende Ansätze identifiziert werden. Zusätzlich liefern die vergleichenden Messungen zwischen zwei Querstromventilatoren im Heißversuchsstand des IOB ein erweitertes Verständnis der strömungsmechanischen und strukturmechanischen Eigenschaften. Aus diesen Ergebnissen können Handlungsempfehlungen zur Konstruktion von Querstromventilatoren mit gesteigerter thermomechanischer Stabilität abgeleitet werden. Somit stehen Modellierungsstrategien zur Verfügung, die mit entsprechender Hard- und Software von Unternehmen für die zielgerichtete Entwicklung und Optimierung von Querstromventilatoren genutzt werden können.