Analyse von Spannungen in einem metallischen P-Strahlheizrohr mittels Fluid-Struktur-Interaktion

Industrieofenanlagen sind abhängig von ihrem Einsatzgebiet unterschiedlichen thermischen Belastungen ausgesetzt. Anlagen zur Wärmebehandlung von Aluminium werden z. B. im Temperaturbereich von 150 bis 600 °C betrieben. In den Anlagen der Stahlindustrie werden vielfach Guttemperaturen von über 1000 °C benötigt, wohingegen in der keramischen Industrie Temperaturen um 1300 °C keine Seltenheit sind. Aus diesen unterschiedlichen Anwendungstemperaturen resultieren hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe, da bei hohen Einsatztemperaturen die Korrosionsbeständigkeit sowie die mechanischen Festigkeitswerte stark abnehmen. Allerdings stellt nicht nur die mittlere Anwendungstemperatur des Ofens ein Problem für die Haltbarkeit der Ofenkonstruktion oder einzelner Ofenkomponenten dar, sondern vor allem die lokalen Temperaturspitzen und die Temperaturgradienten in den Komponenten des Industrieofens. Besonders belastet sind hierbei Strahlheizrohre. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines numerischen Modells, welches eine ganzheitliche Betrachtung der ablaufenden Prozesse am Strahlheizrohr unter Berücksichtigung der thermofluiddynamischen sowie der mechanischen Einflussgrößen bietet. Mit Hilfe dieses Modells können die am Strahlheizrohr auftretenden Spannungen hinsichtlich ihrer Höhe, der Entstehungsursachen sowie ihrer Zusammensetzung erforscht werden. Da hochbelastete, kritische Positionen hiermit frühzeitig identifiziert werden, kann schon im Rahmen der Auslegung einer strahlrohrbeheizten Thermoprozessanlage eine Optimierung hinsichtlich der Spannungsentstehung und damit der Lebensdauer der Bauteile stattfinden. Für die Entwicklung des numerischen Modells werden die Ergebnisse der numerischen Strömungssimulation als Eingangs-Randbedingung mit der Strukturmechanik- Simulation verknüpft. Dieser Ansatz wird als Fluid-Struktur-Interaktion bezeichnet und bildet eine innovative Vorgehensweise zur Beschreibung gekoppelter Probleme. Da die Verformung des Strahlheizrohres sehr gering ausfällt und insofern keine signifikanten Rückwirkungen auf die Strömung innerhalb und außerhalb des Strahlheizrohres zu erwarten sind, kann die Fluid-Struktur-Interaktion als Ein-Weg Kopplung
realisiert werden. Die numerischen Arbeiten werden anhand experimenteller Messergebnisse validiert, die an einem Strahlheizrohrversuchsstand ermittelt werden. Die Messergebnisse umfassen insbesondere die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Strahlheizrohres, sowie die Stoffströme von Erdgas, Verbrennungsluft und Kühlluft und deren Temperaturen. Im Rahmen des Modellaufbaus werden verschiedene Modellierungsansätze hinsichtlich der Kriterien Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen, Konvergenzverhalten und Rechenzeiten untersucht. Dabei erweist sich das Realizable k-e-Modell als bester Kompromiss für die Turbulenzmodellierung. Für die Reaktionsmodellierung wird das Non-Premixed Combustion Modell gewählt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Erkenntnis über die Ursachen bzw. die Zusammensetzung der am Strahlheizrohr auftretenden Spannungen. Eine untergeordnete Rolle spielt hierbei der Temperaturgradient in radialer Richtung durch die Strahlrohrwand, der zu Spannungen von 8 MPa führt. Sofern das Strahlheizrohr an beiden Enden gelagert wird, kann auch der Einfluss der Gravitation vernachlässigt werden, da die hieraus resultierenden Spannungen lediglich 2,5 MPa betragen. Als hauptsächlich verantwortlich für die am Strahlheizrohr entstehenden Spannungen können lokale Temperaturdifferenzen auf der Strahlrohrwand sowie der Temperaturgradient vom ersten zum zweiten Schenkel identifiziert werden. Die resultierenden Spannungspotentiale betragen 90 MPa, respektive 100 MPa. Hohe Spannungen entstehen dabei im vorderen Bereich des Strahlheizrohres, wo es durch den Übergang von der Wärmedämmung des Ofens zum Ofenraum zu einem starken Temperaturabfall kommt. Die Temperaturunterschiede und damit unterschiedlich starke thermische Ausdehnungen des ersten und zweiten Schenkels werden vor allem durch die beiden Krümmer aufgefangen und führen somit zu hohen Spannungen in diesen Bereichen. Lokale Temperaturdifferenzen werden insbesondere zwischen Innen- und Außenseite des zweiten Strahlrohrschenkels sowie im Bereich der Reaktionszone beobachtet und wirken sich hier auf die Spannungsentstehung aus. Die ermittelten Temperaturdifferenzen und -gradienten lassen sich direkt auf verschiedene innere und äußere Einflussgrößen zurückführen, die sich auf den Energiefluss von der Flamme und dem Abgas auf die Innenwand des Strahlheizrohres bzw. auf den äußeren Wärmeübergang am Strahlheizrohr auswirken. Für einen spannungsarmen Betrieb von Strahlheizrohren ist es daher zunächst notwendig, die Strömungsführung im Innern des Strahlrohres derart zu optimieren, dass Strömungsablösungen und Totstromgebiete weitestgehend vermieden oder zumindest reduziert werden. Gleichzeitig ist ein hohes Rezirkulationsverhältnis anzustreben. Beides kann durch den Verzicht auf Einzelsegmente in den Krümmern zugunsten von durchgehenden Rohrbögen in Ansätzen erreicht werden. Eine deutliche Verbesserung schafft der Einsatz von variablen Krümmern, die den Stromlinienverläufen aus den Untersuchungen zu den durchgängigen Rohrbögen nachempfunden sind. Die Variation der Position der Brennermündung zeigt bei den durchgeführten Untersuchungen hingegen keinen Einfluss auf die Ausbildung von Totstromgebieten, Auswirkungen auf das Rezirkulationsverhältnis können jedoch beobachtet werden.
Auch die äußeren Einflussgrößen bestimmen die Temperaturverteilung auf dem Strahlheizrohr. Parameter wie beispielsweise die Bandbreite eines zu behandelnden Bandes sowie die Existenz bzw. Intensität einer Zwangsumwälzung im Ofen sind prozessabhängig und daher oft wenig flexibel. Parameter wie der Wandabstand im Ofen oder der Abstand zu anderen Strahlheizrohren hingegen sollten bei der Auslegung
und Konstruktion einer Thermoprozessanlage Beachtung finden.