Finite element analysis of heat transfer in ski presses

Titel in Übersetzung: Finite Elemente Analyse des Wärmeübergangs in Skipressen

Lukas Hösele

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

In der vorliegenden Masterarbeit wird der Prozess des Presshärtens bei der Skiherstellung untersucht, um herauszufinden ob es einfache und effiziente Maßnahmen gibt um diesen zu verbessern. Im aktuellen Prozess wird Öl durch Heizelemente gepumpt um diese, und damit in weiterer Folge die Formen in welchen die verklebten Schichten des Skis liegen, zu erhitzen. Der geschichtete Ski wird gepresst, erwärmt und nach einer gewissen Halteperiode wieder abgekühlt. Das Erwärmen erfolgt dabei durch heißes Öl während zum Kühlen Wasser durch die Heizelemente gepumpt wird. Der Einsatz von zwei verschiedenen Medien setzt somit zwei separate Fluidkreisläufe voraus. Ziel dieser Arbeit ist das Erzeugen eines FEM Modells um diesen Prozess zu simulieren. Dazu werden der Realprozess und dabei auftretende Wärmetransport analysiert und die Erkenntnisse in Kombination mit Messungen des Temperaturverlaufs an den Heizelementen, sowie der Eintritts- und Austrittstemperaturen genutzt, um das Modell aufzubauen. Des Weiteren soll das Modell in der Lage sein einen alternativen Prozess zu simulieren in welchem anstelle von Wasser, Öl als Kühlmittel eingesetzt wird. Auf Basis der Simulationsergebnisse wird eine Aussage über die Durchführbarkeit der Umstellung des Prozesses auf Öl als Kühlmittel getroffen. Das FEM Modell wird mit ABAQUS® erzeugt, wobei das 3D-Modell aus einer Kombination existierender und neu erzeugter Modelle aufgebaut wird. Für die Berechnungen wird eine ungekoppelte Wärmeleitungsanalyse durchgeführt. Der Wärmeübergangskoeffizient wird parallel zur Simulation von einer in ABAQUS® implementierten Subroutine berechnet und gesteuert. Die Ergebnisse werden mit den Messungen des Temperaturverlaufs verglichen und die Simulation so eingestellt, dass die Übereinstimmung mit dem Realprozess ausreichend genau ist. Im Anschluss daran werden innerhalb der Subroutine die Materialeigenschaften des Kühlmediums auf die Eigenschaften von Öl umgestellt, um die zu erwartenden Ergebnisse für denselben Kühlprozess mit Öl anstelle von Wasser zu berechnen. Dieser adaptierte Kühlprozess wird dabei auf zwei unterschiedliche Arten simuliert. Mit variierendem Volumenstrom sowie erhöhter Kühlzeit und mit alternativen Ölen geringerer Viskosität sowie erhöhtem Volumenstrom. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung des Volumenstroms beim aktuell verwendeten Öl innerhalb eines technisch sinnvollen Bereichs nur zu einer geringen Verbesserung des Wärmeübergangs führt. Da unter Anwendung eines höherviskosen Öls nie der turbulente Strömungsbereich erreicht wird, würden sich hierbei zu lange Abkühlzeiten einstellen. Durch den Einsatz niedrigviskoser Öle kann der turbulente Strömungsbereich jedoch auch bei Raumtemperatur erhalten und damit ein ausreichend guter Wärmeübergang erreicht werden um die angestrebte Kühltemperatur in der gleichen Zeit zu erreichen wie im wassergekühlten Realprozess. Die Simulationsergebnisse zeigen damit zwei Möglichkeiten auf um den Kühlprozess auf Öl umzustellen. Die Erhöhung der Kühlzeit, was keine effiziente Lösung darstellt, oder den Einsatz niedrigviskoser Öle.
Titel in ÜbersetzungFinite Elemente Analyse des Wärmeübergangs in Skipressen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
  • Schemmel, Manuel, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung22 März 2024
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2024

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 05-02-2029

Schlagwörter

  • Prozessanalyse
  • Prozessoptimierung
  • Wärmeanalyse
  • Erzwungene Konvektion
  • Wärmeleitung
  • Finite Elemente Simulation

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