Modelling and implicit solution of industrial furnaces using a multiple 1D finite volume approach

Titel in Übersetzung: Modellierung und implizite Lösung von Industrieöfen mittels multipler 1D Finiter Volumen Diskretisierung

Andreas Rath

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Optimierung von Produktionsprozessen ist ein entscheidender Faktor, um die Wettbewerbsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Dabei werden kontinuierlich neue Möglichkeiten gesucht, womit man bestehende Prozesse analysieren und mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse verbessern kann. Eine gängige Methode ist die Durchführung von Experimenten und Messungen an repräsentativen Versuchsanlagen beziehungsweise an den Produktionslinien selbst. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit erheblichen Kosten für die jeweiligen Versuchsaufbauten und/ oder mit den durch die Versuche entstehenden Produktionsverlust verbunden. Daher haben sich, mit der Verbesserung der Rechenleistung von Computern, zusätzlich Computersimulationen als gute Alternative zu Messungen etabliert. Computersimulationen bieten aufgrund der verfügbaren Modellvielfalt und der Adaptierbarkeit der dafür entwickelten mathematischen Modelle ein breites Spektrum an Möglichkeiten, um reale Prozesse abzubilden. Einer der größten Nachteile von Simulationen ist die benötigte Rechenzeit für Modelle im Industriemaßstab. Diese Arbeit fokussiert sich auf diese Schwachstelle und stellt ein Simulationskonzept vor, welches Anhand von geometrischen Vereinfachungen und weiteren Annahmen die Echtzeitanalyse von Ofenanlagen im Industriemaßstab erlaubt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Simulationen, wird die Simulationsgeometrie des jeweiligen zu untersuchenden Ofens nur in jeweils eine und nicht in alle drei Dimensionen diskretisiert. Die dabei entstehenden eindimensionalen Zonen können Wärme nur in der eigenen Dimension transportieren. Lediglich an den Randbereichen jeder Zone ist der Austausch von Wärme mit anderen Zonen erlaubt. Durch die dabei entstehende grobe Auflösung der Simulationsgeometrie und das Wegfallen einiger Gleichungsterme, weil Wärme nur innerhalb der eigenen Dimension übertragen werden kann, ist das Modell recheneffizient. Die zeitliche Diskretisierung erfolgt mittels einer impliziten Methode, was einen weiteren Vorteil bezüglich der Zeitschrittweite mit sich bringt. Der Nachteil der vorgestellten Methodik liegt, in der für die Recheneffizienz benötigten, groben Auflösung der Simulationsgeometrie. Aus diesem Grund können mit dieser Methode, Vorgänge nur grob und nicht im Detail abgeschätzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, mithilfe des beschriebenen theoretischen Grundsatzes zwei schnell rechnende Ofenmodelle für verschiedene Ofentypen zu entwickeln. Zum einen soll ein Simulationsmodell für einen Tunnelofen und zum anderen ein Modell für einen Rollenherdofen implementiert werden. Die beiden entwickelten Modelle werden im Anschluss mit von Projektpartnern bereitgestellten Daten initialisiert und getestet. Die davon resultierenden Ergebnisse werden im Anschluss genau untersucht und das Potential der implementierten Methodik für die zukünftige Nutzung zur Abschätzung von Prozessparametern analysiert.
Titel in ÜbersetzungModellierung und implizite Lösung von Industrieöfen mittels multipler 1D Finiter Volumen Diskretisierung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Spijker, Christoph, Mitbetreuer (intern)
  • Raupenstrauch, Harald, Betreuer (intern)
  • Siebenhofer, Matthäus, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Brand, Clemens, Beurteiler B (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 12-09-2027

Schlagwörter

  • Simulation
  • Wärmeübertragung
  • Prozessoptimierung

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