Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss geometrischer Anordnungen aus Strahl- und Vollkegeldüsen auf die Intensivkühlung bewegter dicker Bleche

Bisherige Untersuchungen zur Leidenfrost- und DNB-Temperatur, zum Heat Flux, zur Benetzungsfront und zur Boilingkurve bei der Kühlung von Metallen beziehen sich auf relativ dünne Bleche und auf Bleche, die sich nicht in relativer Bewegung zur Düse befinden. Reale Kühlanlagen sind jedoch durch die Relativbewegung des Bleches zum Düsenfeld gekennzeichnet. Gerade mit der Bewegung des Bleches zum Düsenfeld ergeben sich durch die Wärmetransportmechanismen im Metall Ausgleichsvorgänge, die insbesondere bei dicken Blechen ein anderes Bild ergeben. Der Einfluss dieser Relativbewegung des Bleches zur Düse bzw. zum Düsenfeld soll besonders bei dicken Blechen systematisch in Experimenten und Simulationen untersucht werden.

In Experimenten werden flache Metallproben in einem Ofen erwärmt und anschließend von der Vorderseite mit einer Düse bzw. einem Düsenfeld bespritzt. Zur Erzeugung der Relativbewegung wird die Düse bzw. das Düsenfeld in vertikaler Richtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Bewegung gesetzt. Das instationäre Temperaturfeld der geschwärzten Rückseite wird mit einer Infrarot-kamera örtlich und zeitlich hoch aufgelöst gemessen. Aus den Temperaturprofilen werden die entsprechenden wärmetechnischen Kenndaten ermittelt.

Die Ergebnisse der parallel dazu laufenden Simulationen können mit den Experimentalwerten validiert werden. Der Einstieg in die Untersuchungen beginnt mit Einzeldüsen, um dort die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten abzuleiten. Danach werden die Untersuchungen auf Düsenfelder ausgedehnt. Mit den Untersuchungen sollen technische Einflussmöglichkeiten hergeleitet werden, um gezielt Wärmeübergänge einstellen zu können, die eine intensive und verzugsarme Abkühlung gewährleisten. Der Nutzen für KMU’s besteht darin, dass Anlagen schneller und sicherer ausgelegt werden können. Ein ganz wesentlicher Wettbewerbsvorteil besteht darin, dass man gesicherte Garantien für geforderte Werkstoffqualitäten abgeben kann.

Ergebniszusammenfassung:

Parameter wie q_max, T_DNB und die Wiederbefeuchtungsbedingungen q_RWT, T_RWT wurden aus den Infrarot- messungen und dem inversen Wärmeleitungsproblem gewonnen. Die Höchstwerte werden erfolgreich für die Erstellung der Boilingkurven verwendet, so dass der Einfluss der Prozessparameter klar nachvollzogen werden kann. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts lassen sich leicht auf das physikalische Verständnis des zugrundeliegenden Wärmeübergangs bei verschiedenen Abschreckmethoden wie Vollstrahl, Vollkegel und Kombination verschiedener Düsenfelder übertragen.

Die numerische Simulation basiert auf einem modifizierten Euler-Euler Mehrphasenmodell. Mit dem entwickelten 3D-Simulationsmodell kann der gesamte Abkühlprozess mit allen dazugehörigen Siedephasen berechnet werden. Auf der Basis der Simulationsergebnisse können Prozesszustände wie z.B. der Leidenfrostbereich, der Wärmeübergangskoeffizient (WÜK), der lokale Wärmestrom oder der Temperaturgradient an der auftretenden Oberfläche, die im Experiment nicht direkt erfassbar sind, detailliert analysiert werden. Das Modell erlaubt die Berechnung bei unterschiedlichen Düsenarten sowie die Düsenanordnungen und von dreidimensionalen Düsenfeldern als auch die Analyse der Kühlung einer bewegten Platte (dickes Blech).

In den Ergebnissen aus Experiment und Simulation besteht hinreichende Übereinstimmung. Insbesondere zeigen Experiment und Simulation die gleichen Tendenzen in Abhängigkeit der Veränderung technischer Parameter der Kühlung.

Mit den Ergebnissen des Projekts stehen Kennwerte zur Verfügung, die für die Auslegung und Optimierung von Kühl- bzw. Abschreckanlagen bewegter Bleche geeignet sind. Die Möglichkeiten eines Transfers in die Industrie sind gegeben.

Genaue Angaben sind dem Abschlussbericht (Kapitel 17) zu entnehmen.