Minimierung der Energieverluste von Industrieöfen infolge durchströmter wanddurchbrechender Strukturen

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Förderinstitution:BMWi Fördernummer 15397 BR über AiF
Arbeitsgruppe:Ofenbau
Bearbeiter:Dipl.-Ing. Björn Fischer
E-Mail:bjoern [dot] fischeratiwtt [dot] tu-freiberg [dot] de
Start, Laufzeit:01.11.2007, 2 Jahre

Durch die Verringerung der übrigen Verluste und durch den Trend zu einer wachsenden Zahl von Einbauten und Durchbrüchen durch die Ofenwände von Industrieöfen hat die relative Bedeutung der strukturbedingten Wärmeverluste zugenommen. Wanddurchbrechenden Strukturen können erhöhte Energieverluste infolge der im Allgemeinen höheren Wärmeleitfähigkeit der eingebauten Teile, infolge der Strahlungsleitfähigkeit und freien Konvektion in Hohlräumen und infolge der Durchströmung von Undichtheiten verursachen. Die Bedeutung für den Energieverbrauch von Industrieöfen ergibt sich aus der oft großen Zahl solcher Strukturen (z.B. bis 2000 Rollendurchführungen). In einem vorangegangenen AiF-Projekt standen nichtdurchströmte Strukturen im Vordergrund. Es hat sich gezeigt, dass in vielen Fällen die ungewollte Durchströmung der Strukturen die Energieverluste wesentlich beeinflusst und erhöht. In diesem Projekt sollen deshalb gezielt die Energieverluste infolge ungewollter Durchströmung untersucht und verringert werden.
 
Durchströmte Strukturen in Industrieöfen können sein:

  • Wanddurchführungen von Transportrollen,
  • undichte Wände und Decken (aus porösen Materialien, unvermörtelte Hängedecken),
  • Dehnfugen,
  • Blechgehäuse mit unterbrochenen Schweißnähten,
  • Sandrinnen und/oder Schnurdichtungen so
  • offene Wanddurchbrüche für Sensoren und Düsen.

Durchgehende oder zirkulierende Strömungen verändern die Energieverluste undichter und poröser Strukturen wesentlich. Ebenso wie schon die Wärmeverluste undurchströmter Strukturen durch simple Maßnahmen deutlich verringert werden konnten, lassen sich auch die Strömungsverhältnisse durch einfache Maßnahmen (Sperrschichten, enge Spalte, Umlenkungen und Labyrinthe) gegenüber dem Ist-Stand beeinflussen. Neben dem Ziel der Verringerung von Energieverlusten können mit der Verringerung der Durchströmung von Undichtheiten weitere negative Effekte (Verfälschung der Prozessatmosphäre, Qualitäts- und Verschleißprobleme, Arbeitsschutzprobleme) gemindert werden.

Im Fall einer ungewollten Durchströmung findet außer dem Energieverlust durch Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion auch ein Enthalpietransport statt. Wärmetransport und Enthalpietransport beeinflussen sich gegenseitig, so dass eine einfache Addition nicht möglich ist. Für den eindimensionalen Fall der homogen durchströmten porösen Wand ist die gegenseitige Beeinflussung der Wärmeleitung und des Enthalpietransportes für vereinfachte Randbedingungen analytisch gelöst worden. Man kann sich leicht überzeugen, dass der Wandverlust leicht um mehrere zehn Prozent gegenüber der gleich aufgebauten aber nicht durchströmten Wand ansteigen oder sinken kann. Für komplizierte, insbesondere mehrdimensionale Anordnungen und Randbedingungen, vor allem, wenn der Wärmeübergangskoeffizient zwischen den festen Komponenten und dem strömenden Gas endlich ist, ist es nicht sinnvoll, nach analytischen Lösungen zu suchen. Für die Lösung solcher Fälle soll zuverlässige kommerzielle FEM-Software verwendet werden.

Ziel des Projektes ist es, die durch die ungewollte Durchströmung der Strukturen verursachten Energieverluste in Abhängigkeit von konstruktiven Gegebenheiten (Abmessungen, Materialien) und von Temperaturen und Druckdifferenzen zu ermitteln und zu dokumentieren. Es sollen mögliche konstruktive Veränderungen bezüglich ihrer Wirksamkeit zur Verringerung der Energieverluste untersucht werden. Daraus folgernd werden Empfehlungen zur veränderten Gestaltung der Strukturen gegeben. Auf ihrer Basis können außerhalb des Projektes firmenspezifische Lösungen für verlustarme Strukturen erarbeitet werden. Als Ergebnis der Simulationsrechnungen wird der gegenüber der ungestörten Wand zusätzliche Energieverlust (Wärme und Enthalpie) bestimmt. Das Ziel besteht darin, die effektivsten Maßnahmen zur Verringerung des zusätzlichen Energieverlustes zu bestimmen.