Vorwort Das letzte Jahr war für das Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT) einer-seits durch Kontinuität in Lehre und Forschung, andererseits aber auch durch weiterhin schwierige finanzielle Randbedingungen an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg gekennzeichnet. Die Verringerung der Planstellen im wissenschaftlichen Bereich, die Nicht- oder Spätbesetzung von Mitarbeiterstellen und die erheblichen Arbeitszeitverkürzungen er-schweren die Arbeit, gefährden die Absicherung der Lehrveranstaltungen in der Grundlagen-ausbildung, gerade angesichts der (erfreulicherweise!) extrem gestiegenen Seminargruppen-zahlen, und verringern teilweise auch die Forschungskapazität. Trotz dieser schwierigen Bedingungen wurde von den drei Lehrstühlen - Strömungsmechanik und Strömungstechnik (Prof. Dr.-Ing. D. Thévenin) - Technische Thermodynamik (Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt) - Thermodynamik und Verbrennung (Prof. Dr.-Ing. E. Specht) insgesamt wieder eine engagierte und erfolgreiche Arbeit in Lehre und Forschung geleistet, über deren wesentlichste Ergebnisse der Bericht Auskunft gibt. Eine verstärkte Finanzierung der Institutsforschung über Drittmittel (Industrie, Land, DFG) hat neue Möglichkeiten eröff-net. Die wissenschaftliche Leistungsfähigkeit wird durch eine große Zahl von Publikationen, Prä-sentationen auf internationalen Tagungen und durch entsprechende Forschungsprojekte im Rahmen der DFG, der AiF, des DAAD und gemeinsam mit der Industrie belegt. Höhepunkte in der Forschung waren die Bewilligung von Projekten des Kollegen Thévenin im Rahmen der DFG-Schwerpunktprogramme „Strömungsmischer“ sowie „Bildgebende Messverfahren der Strömungsanalyse“, des internationalen Promotionsstudiengangs „Chemi-cal and Biochemical Engineering“ unter Leitung des Kollegen Specht sowie die erfolgreichen Zwischenverteidigungen und Bewilligungen für die zweite Förderperiode der DFG-Forschergruppe „Membrangestützte Reaktionsführung“ und des DFG-Graduiertenkollegs „Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen“, an denen Arbeitsgruppen des Instituts bereits seit mehreren Jahren mitwirken. Der Lehre kommt im Institut eine besondere Bedeutung zu, da die gesamte Grundlagenaus-bildung in Strömungsmechanik und Thermodynamik für alle technisch orientierten Studien-gänge abgedeckt wird. Für die erfreulich gewachsenen Studentenzahlen spricht die Tatsache, dass die Grundlagenvorlesungen in immer größeren Hörsälen durchgeführt werden mussten. Darüber hinaus werden zahlreiche zum Teil auch neu konzipierte Fachvorlesungen angeboten. Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern möchte ich abschließend im Namen des Institutsvor-standes unseren Dank für die stete Einsatzbereitschaft und die engagierte Arbeit in Lehre und Forschung aussprechen. Ebenso gilt dieser Dank allen Forschungspartnern, Freunden und Kollegen, mit denen wir aktiv kooperiert haben, für die gute Zusammenarbeit und Unterstüt-zung. Magdeburg, November 2006 Dominique Thévenin (Geschäftsführender Leiter)

1

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Geschäftsführender Leiter: Institut für Strömungstechnik und Prof. Dr.-Ing. D. Thévenin Thermodynamik (ISUT) Gebäude 14, Raum 113 (Sekretariat 112) Universitätsplatz 2 (PLZ 39106) PSF 4120 (PLZ 39016) Redaktion: Magdeburg Dr.-Ing. H.-V. Wömpner Tel. (0391) 67-18654 Fax (0391) 67-12840 Besuchen Sie uns im Internet! http://www.uni-magdeburg.de/isut Bilder (Vorder- und Rückseite):

• Anwendung der Shadowgraphy auf Blasen und Tropfen (Vorderseite)

• Laufradströmung (Rückseite)

2

Inhalt Seite

Vorstand und Personal Vorstand 4 Hochschullehrer 4 Wissenschaftliche Mitarbeiter 4 Technische Mitarbeiter 4 Sekretariate 4

Lehrangebote 5 Forschung Forschungsschwerpunkte 6 Forschungsprojekte / Drittmittel 23 Wissenschaftliche Publikationen 26 Zeitschriften 26 Buchbeiträge und Tagungsbände 28 Mitgliedschaften 32 Dissertationen 32 Labore, Versuchsstände und gerätetechnische Ausstattung 34 Serviceangebote 47 Lageplan 48

3

Vorstand und Personal Vorstand Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin, Geschäftsführender Leiter Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt Prof. Dr.-Ing. Eckehard Specht Dr.-Ing. Hans-Volker Wömpner Siegfried Brüggemann Hochschullehrer Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt Prof. Dr.-Ing. Eckehard Specht Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin Prof. (i.R.) Dr.-Ing. Hans-Karl Iben Prof. (i.R.) Dr.-Ing. Dr. h. c. Hans-Joachim Kecke Wissenschaftliche Mitarbeiter M. Sc. Sylvia Agustini M. Sc. Mohamed Attalla Dipl.-Ing. Agnieszka Bes Dipl.-Ing. Robert Bordás Dr.-Ing. Hartwig Erich Boye Dipl.-Ing. Miroslaw Brzoza Dr.-Ing. Sergey Cernigovskii Dipl.-Ing. Chuan Cheng Dr.-Ing. Gábor Janiga Dipl.-Ing. Marta Cortina Díaz Dipl.-Ing. Dimitar Dontschev Dipl.-Ing. Katya Georgieva Dr.-Ing. Dietrich Handtke Dipl.-Ing. Jivko Jekov M. Sc. Yalzin Kaymak Dipl.-Ing. Tihomir Kotsev Dipl.-Ing. Nico Krause

Dipl.-Ing. Jacek Krol Dipl.-Ing. Stefan Leschka M. Sc. Xiaoyan Liu Dipl.-Ing. Mariya Nacheva M. Sc. Aryoso Nirmolo M. Sc. Alper Öncül Dr.-Ing. Elemér Pap Dipl.-Ing. Gregor Popiolek Dr.-Ing. Günter Scholz Dipl.-Ing. Hemdan Shalaby Dipl.-Ing. Teodor Rumenov Todorov M. Sc. Shabi Ulzama Dipl.-Ing. Zbigniew Waniek Dr.-Ing. Hans-Volker Wömpner Dr.-Ing. Bernd Wunderlich Dr.-Ing. Katharina Zähringer

Technische Mitarbeiter Dr.-Ing. Janan Al-Karawi Siegfried Brüggemann Doris Eichhorn Dipl.-Ing. Peter Fischer Dipl.-Chem. Michael Könnig Eckart Kagelmann

Dirk Meinecke Christian Kisow René Timpe Dr.-Ing. Hermann Woche Petra Zacke

Sekretariate Petra Zacke Christin Hasemann

4

Lehrangebote Die folgenden ausgewählten Lehrveranstaltungen geben einen Überblick über die umfangrei-chen Lehrverpflichtungen des Instituts, die sowohl die ingenieurtechnischen Grundlagen für 12 Studiengänge als auch eine Reihe von Fachvorlesungen umfassen.

• Strömungslehre, Einführung (Thévenin, D.)

• Grundlagen der Strömungsmechanik (Thévenin, D.)

• Strömungsmechanik I und II (Thévenin, D.)

• Numerische Strömungsmechanik / Computational Fluid Dynamics (Janiga, G.)

• Advanced Fluid Dynamics (Wunderlich, B.)

• Experimentelle Methoden der Thermo- und Fluiddynamik (Schmidt, J.; Thévenin, D.)

• Grundlagen der Strömungsmaschinen (Pap, E.)

• Rechnergestützte Konstruktion von Strömungsmaschinen (Pap, E.)

• Kreiselpumpen und –verdichter (Pap, E.)

• Dampf- und Gasturbinen (Pap, E.)

• Technische Thermodynamik (Schmidt, J.)

• Technische Wärmelehre (Schmidt, J.)

• Gemisch- und Grenzflächenthermodynamik (Schmidt, J.)

• Kältetechnik (Schmidt, J.; Boye, H.)

• Heizung, Lüftung, Klimatisierung (Schmidt, J.)

• Numerische Berechnungen zum Wärmetransport (Schmidt, J.; Dontchev, D.)

• Wärme- und Stofftransport (Specht, E.)

• Verbrennungstechnik (Specht, E.)

• Ecological balances (Specht, E.)

• Combustion Engineering (Specht, E.)

• Thermal Waste Treatment (Specht, E.)

• Advanced Heat and Mass Transfer (Specht, E.)

• Production of Metals and Ceramics (Specht, E.)

• Laseroptische Strömungsmeßmethoden (Zähringer, K.)

5

Forschung – Forschungsschwerpunkte

Numerische Strömungsmechanik und Optimierung

G. Janiga, R. Sethuraman, A. Öncül, H. Shalaby Die numerische Untersuchung komplexer Strömungen hat mit der Berufung von Herrn Prof. Thévenin im Oktober 2002 stark an Bedeutung gewonnen. Sowohl kommerzielle CFD-Programmsysteme (Fluent, FEMLAB, CFX) wie eigene Programme werden hierfür verwendet und weiterentwickelt. Spezifische numerische Methoden werden auch getestet. Im Bereich der Grundlagenforschung werden hauptsächlich anhand direkter numerischer Si-mulation (DNS) turbulente Strömungen untersucht. Die Kopplung zwischen chemischen Re-aktionen und turbulenten Prozessen bildet eine besonders schwierige Konfiguration, die aber wegen zahlreicher praktischer Anwendungen (turbulente Verbrennung) besonders intensiv betrachtet wird. Mit DNS ist es möglich, diese Wechselwirkung sehr genau zu untersuchen und nützliche Informationen für die Entwicklung neuer Modelle zu gewinnen. Die Reduzie-rung der (sehr langen) Rechenzeiten anhand geeigneter mathematischer und numerischer Me-thoden (Parallelrechner, dynamische Systemtheorie mit attraktiven Mannigfaltigkeiten –ILDM, FPI–, adaptive Gitter...) wird dabei angestrebt. Die weitergehende Datenverarbeitung numerischer Ergebnisse spielt ebenfalls eine zuneh-mende Rolle. Da mit jeder Rechnung eine sehr große Menge an Daten produziert wird, nimmt die Bearbeitung dieser Daten, um zu sinnvollen physikalischen Aussagen zu kommen, genau so viel Zeit in Anspruch, wie für die Berechnung selber notwendig ist. Für diese Datenverar-beitung wurden spezielle Programme unter Matlab entwickelt, die das Verfahren beschleuni-gen und automatisieren und auch für experimentelle Ergebnisse anwendbar sind. Diese Soft-

ware-Bibliothek wird in Zukunft noch um-fangreicher und flexibler werden.

Anhand dieser Datenverarbeitung ist es dann möglich, bessere Modelle für die Simulation turbulenter Strömungen zu entwickeln. Diese Modelle werden anschließend mit CFD-Programmen gekoppelt, die entweder die Großwirbel- (LES, Large-Eddy-Simulation) oder RANS- (Reynolds-Averaged-Navier-Stokes) Verfahren verwenden. Für beide Me-thoden werden zur Zeit am Lehrstuhl indus-trielle Programme angewandt und anhand vorhandener Schnittstelle weiterentwickelt. Da diese zwei Modellier-Methoden momen-tan die Einzigen sind, die eine Untersuchung praxisnaher oder industrieller Anlagen (z.B. Strömungsmaschinen oder Industrieöfen) er-

lauben, wird dieses Thema am Lehrstuhl weiter an Bedeutung gewinnen. In dieser Hinsicht ist auch die enge Zusammenarbeit zwischen Mitarbeitern aus den numerischen und experimen-tellen Bereichen des Lehrstuhls hilfreich, da beide Betrachtungsweisen eine perfekte Ergän-zung bieten. Allein durch gekoppelte experimentelle und numerische Untersuchungen ist es möglich, wirklich quantitative Vorhersagen für komplexe Strömungen zu erreichen. Die Kopplung von Strömungsberechnungen mit einer numerischen Optimierungsschleife wurde erfolgreich getestet und wird seitdem intensiv weiterentwickelt. Diese Arbeiten wurden in-zwischen in mehreren Veröffentlichungen dokumentiert.

Pareto-Grenze, Berechnungsbeispiel und Verfahren für die automatische Optimie-rung eines Wärmetauschers anhand CFD

und OPAL.

6

Experimentelle und numerische Untersuchung von reaktiven Strömungen

K. Zähringer, G. Janiga, H. Shalaby, S. Leschka, A. Bourig Die zwei Arbeitsgruppen zu experimentellen und numerischen Untersuchungen von Strö-mungen mit chemischen Reaktionen wurden am Lehrstuhl für Strömungsmechanik mit der Berufung von Herrn Prof. D. Thévenin im Oktober 2002 neu eingerichtet. Sie sollen der the-matischen Erweiterung des Lehrstuhls auf dem Gebiet der reaktiven Strömungen und der Verbrennung Rechnung tragen. Dies betrifft im experimentellen Bereich insbesondere optische Messverfahren zur Spezies-, Temperatur- und Geschwindigkeitsmessung, Messungen in laminaren und turbulenten Flam-men sowie den wechselseitigen Einfluss von Strömungsfeld und chemischer Reaktion oder chemischer Reaktion und Akustik. Diese Messungen werden in industriellen und Laborbren-nern oder, im Rahmen der Grundlagenforschung, zum besseren Verständnis der Wechselwir-kung zwischen Strömung und Flamme (turbulente Verbrennung) durchgeführt. Optische Ver-fahren helfen beispielsweise bei der Visualisierung und dem darauf beruhenden besseren Ver-ständnis von akustischen Wechselwirkungen zwischen Flamme und umgebendem Kesselsys-tem in Haushaltsheizsystemen. Ziel dieser Untersuchungen ist ein Simulationsmodell für sol-che Systeme, um eventuelle akustische Probleme vorhersagen und Lösungen vorschlagen zu können. Mittels simultaner Laser-Induzierter Fluoreszenz (LIF) und PIV-Messungen kann die Struktur von Flammen mit dem Ziel eines besseren Verständnisses der Turbulenz-Flammen Wechselwirkung untersucht werden. Diese spielt in allen hochtechnischen Verbrennungs- und Reaktionssystemen eine große Rolle bei der Effektivitätssteigerung und Optimierung (Auto-mobilmotoren, Gasturbinen, Haushaltsbrenner etc.). Bei gleichzeitiger Kenntnis von Strö-

mungsfeld und Verlauf einer chemi-schen Reaktion können ebenfalls zerstö-rerische Phänomene, wie lokale Über-hitzung, Druckschwankungen (akusti-sche Emissionen) oder übermäßige Schadstoffbildung besser charakterisiert, verstanden und vermieden werden. Un-ter anderem sollen hierbei auch die Möglichkeiten von gezielter Strömungs-beeinflussung (Kontrolle) untersucht werden. Die Problematik der Laserzün-dung wurde in einem umfangreichen, inzwischen abgeschlossenen Projekt

genau bewertet. Jetzt werden schwerpunktmäßig Mischungsprozesse und chemische Reaktio-nen in einem statischen Mischer experimentell untersucht. Auch die numerische Gruppe beschäftigt sich mit der Kopplung zwischen Strömungsfeld und chemischen Reaktionen. Diese Problematik wurde mit verschiedenen Ansätzen untersucht. Direkte numerische Simulationen (DNS) und Großwirbelsimulationen (LES) erlauben die Untersuchung solcher Strömungen mittels numerischer Modellierung. Dabei wurden turbu-lente Flammen detailliert simuliert. Die Bedeutung der Modelle, die für die Beschreibung elementarer Reaktionskinetik und Diffusionsgeschwindigkeiten verwendet werden, wurde deutlich und die Notwendigkeit drei-dimensionaler Simulationen bestätigt. Zahlreiche Be-rechnungen wurden auch für die Problematik der Flammen/Wirbel-Wechselwirkung durchge-führt, da dieses Problem als Grundstein der turbulenten Verbrennung betrachtet wird. Diese Arbeiten werden jetzt weitergeführt in Richtung Flammeninstabilitäten und akustische Emis-sionen reaktiver Strömungen.

Flammen/Akustik-Wechselwirkung für eine tur-bulente Methanflamme, mit direkter numerischer

Simulation berechnet

7

Zweiphasenströmungen

B. Wunderlich, E. Pap, A. Öncül, R. Bordás, K. Zähringer

Am Institut steht eine umfangreiche, moderne, lasertechnische Experimentierbasis zur Verfü-gung (insbesondere Phasen-Doppler-Anemometrie PDA, Shadowgraphy), die für Untersu-chungen der Strömungsfelder in einer Zweiphasenströmung, bestehend aus einer kontinuierli-chen und einer dispersen Phase, eingesetzt werden kann und die teilweise mobil ist.

Außerdem wurde Ende 2005 am Lehrstuhl ein zweiphasiger Windkanal in Betrieb genom-men. Er ist völlig rechnergesteuert, Göttinger Bauart, mit offenem oder geschlossenem Mess-abschnitt für Einphasen- (Luft) oder Zweiphasenströmungen (z.B. Luft/Wasser). Die Abmes-sungen des Messabschnitts betragen (HxBxL offen/geschlossen) 500x600x1100/1500 mm. Drei Scheiben des geschlossenen Messabschnitts sind optisch durchsichtig (400/450x500 mm), auch für übliche Laserwellenlängen, und erlauben dadurch die Messungen. Strömungs-geschwindigkeiten von 0.3 bis über 50 m/s sind möglich mit einem Turbulenzgrad unter 0.5%. Austauschbare Einspritzungsköpfe sind für die Spray-Generierung im Windkanal ver-fügbar (z. B. Sauter-Durchmesser: 50 μm, Volumenstrom: 50 l/h). Dieser Windkanal wird auch für Grundlagenuntersuchungen meteorologischer Strömungen (Regen) zukünftig einge-setzt.

Zweiphasiger Windkanal Shadowgraphy in einem Kristallisationsreaktor

Am Lehrstuhl werden außerdem umfangreiche, kombinierte experimentelle/numerische Un-tersuchungen von Kristallisations- und Fällungsreaktoren durchgeführt. Messungen werden in diesem Fall hauptsächlich anhand Shadowgraphy realisiert, während die Simulationen mit populationsdynamischen Modellen (Standard Method of Moments, QMOM, DQMOM) erfol-gen. Diese Momenten-Methoden wurden anhand User-Defined Functions in die Software Fluent integriert, so dass komplexe, drei-dimensionale mobile Geometrien hiermit untersucht werden können.

Kristallisationsreaktor Berechnete Particle-Mass Density

8

Strömungsmaschinen

E. Pap, N. Krause Die detaillierte Untersuchung des Betriebsverhaltens von Strömungsmaschinen, insbesondere von instationären Strömungsfeldern im Laufrad, wird weitergeführt. Durch die Entwicklun-gen in der Kamera- und Lasertechnik ist es möglich geworden, die Aufnahmefrequenzen in der Particle-Image-Velocimetry (PIV) zu steigern. Dem Lehrstuhl für Strömungstechnik und Strömungsmechanik stand mehrmals ein solches kommerzielles System für einen kurzen Zeitraum zur Verfügung. Mit einer Wiederholfre-quenz von 50 Hz wurden die Strömungsfelder in jedem Schaufelkanal eines Laufrades in der-selben Lage untersucht. Hauptsächlich ging es dabei um das Teillastverhalten der Kreisel-pumpe. In diesem Bereich kommt es zu instationären Ablösungserscheinungen, die durch Fehlanströmung der strömungsführenden Teile auftreten. Diese Ablösungen verursachen in den Schaufelkanälen Wirbel, was dazu führen kann, dass der Kanal „verstopft“, d. h. nicht mehr fördert. Durch die Rotation des Laufrades und die In-teraktion der einzelnen Schaufelkanäle wandert die Ablösung durch die Kanäle des Laufrades. Die Schaufeln werden dabei starken wechselnden Kräften ausgesetzt, die aus der Änderung der Strömungsführung folgen. Liegt die Änderungsfrequenz der Kräfte im Resonanzbereich der Konstruktion, kann es bis zur Zerstörung der Schaufeln kommen.

Strömungsfeld und ermitteltes Frequenzspektrum

Als Ergebnis der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Ablösung auf der Saugseite im Ein-trittsbereich des Kanals ihren Ursprung hat. Die Analyse unterschiedlicher Betriebszustände zeigte, dass sich die Ablösung in einem Laufradkanal ausbildet und mit zunehmender Drosse-lung des geförderten Volumenstromes vergrößert. Wird die Ablösezelle so groß, dass der Ka-nal kaum noch durchströmt wird, bildet sich im entgegen der Drehrichtung gelegenen Nach-barkanal eine neue Ablösezelle aus. Dies ermöglicht dann die erneute Durchströmung des zuvor blockierten Kanals. Mit Hilfe der Frequenzanalyse war es möglich aus den Strömungs-feldern die Umfangsgeschwindigkeit der Ablösezelle zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die Umfangsgeschwindigkeit der Ablösezelle mit sinkendem Förderstrom zunahm. In jüngster Zeit wurden zeitaufgelöste PIV-Messungen mit Aufnahmefrequenzen bis 800 Hz durchgeführt, die eine genauere Analyse der Entstehung, der Laufbahn und der Dissipation der Ablösezelle ermöglichen. Zahlreiche Veröffentlichungen in internationalen Konferenzen und Zeitschriften dokumentie-ren diese Arbeit.

9

Hydraulischer Transport

G. Scholz, H.-V. Wömpner, H.-J. Kecke

Zu einem wesentlichen Einsatzgebiet der hydraulischen Förderung hat sich das Dickstoffver-fahren zur Förderung von Stoffgemischen, bestehend aus Stäuben und einer Trägerflüssigkeit, für den Versatz von Hohlräumen im Salinar entwickelt. Der hohe Anteil an feinkörnigen Be-standteilen der zu fördernden Stäube, mit Partikeldurchmesser < 0,1 mm, macht es möglich, die Transportkonzentration bis zu 50 Volumenprozent zu erhöhen. Die Dickstofftechnologie hat wesentliche Vorteile:

- staubfreier, behälterloser Transport der Abfälle - Reduzierung der Transportflüssigkeit und damit mögliche Bindung der Transportflüssigkeit durch chemische Reaktionen mit den Stäuben bzw. durch Zugabe von Bindemitteln - Transport der Dickstoffsuspension durch Rohrleitungen - Einbringen der Suspension in unzugängliche Hohlräume - Erreichen bestimmter bodenmechanischer Eigenschaften des Versatzkörpers, z.B. für die Stabilisierung untertägiger Hohlräume.

Im Rahmen der Grundlagenforschung wurden umfangreiche Untersuchungen zum Transport- und Verfestigungsverhalten solcher Gemische vorgenommen, um die Bedingungen für das Dickstoffverfahren zu ermitteln. Es zeigte sich, dass genaue Analysen der Stoffzusammenset-zung und der Stoffumwandlung notwendig sind, um Aussagen zum Transportverhalten (es liegt kein Newtonsches Fließverhalten vor) zu erhalten. Am Lehrstuhl bestehen die Voraussetzungen für die strömungstechnischen und rheologischen Untersuchungen solcher Dickstoffe. An Rohrförderanlagen mit NW 20 bis NW 50 kann das Fließverhalten des Dickstoffs sowohl in Abhängigkeit von der volumetrischen Konzentration als auch von der Zeit analysiert wer-den. Das Dickstoffgemisch wird über Schneckenpumpen der Anlage zugeführt. Coriolis-Massendurchflussmesssysteme werden zur Bestimmung des Durchsatzes eingesetzt. Zusätzlich können in Laborversuchen:

- die Mischbarkeit der Suspensionen, das Absetzverhalten sowie die Grenzen der Mischbarkeit, - die Veränderung der Fließeigenschaften durch den Einfluss der Scherung, - die Eindickung der Suspensionen bis zur Verfestigung durch chemische Umset-

zungsvorgänge sowie

- das Verfestigungsverhalten der Suspensionen durch Zugabe von Bindemitteln

analysiert werden. Über chemische und Phasenanalyse werden sowohl differenzierte Aussagen zu den zu erwar-tenden chemischen Umsetzungsvorgängen der Stäube mit dem Trägermedium als auch Aus-sagen zu Reaktionen des in untertägige Hohlräume verbrachten Dickstoffgemisches mit dem Wirtsgestein abgeleitet. Im zurückliegenden Zeitraum konnten Projekte, die gemeinsam mit Partnern der Industrie zum Versatz von Stäuben aus der Müllverbrennung in das Salinar bearbeitet wurden und vom Bundesministerium für Forschung und Technologie gefördert wurden, erfolgreich abge-schlossen werden.

10

Rheologisches Verhalten von Suspensionen

H.-V. Wömpner, G. Scholz

Das rheologische Verhalten der Suspensionen spielt eine wichtige Rolle bei der Dimensionie-rung von Förderanlagen im Zusammenhang mit dem Dickstoffverfahren. Bei diesem Verfah-ren erfolgt die hohlraumfreie Einbringung von Suspensionen (Stäuben aus Müllverbren-nungsanlagen, anderen Reststoffen, Bindemitteln und Trägerflüssigkeiten) in Hohlräume des Bergbaus mit der nachfolgenden restflüssigkeitsfreien Abbindung. Damit soll einerseits die Bergsicherung und andererseits die sichere Entsorgung nicht verwertbarer Stoffe aus dem Wirtschaftskreislauf gewährleistet werden. Die eigenen Untersuchungen konzentrieren sich auf eine umfassende Charakterisierung sol-cher mineralischer Suspensionen, hier ausschließlich auf das viskose Verhalten mit dem Ziel einer detaillierten Analyse der Einflussfaktoren. Dabei weisen solche mineralischen Suspen-sionen im Allgemeinen nicht-Newtonsches Verhalten auf. Neben dem nichtlinearen Fließge-setz sind ab einem bestimmten Feststoffgehalt plastische Eigenschaften nachzuweisen. Die damit verbundene Fließgrenze besitzt einen großen Einfluss auf das Ausbreitverhalten und somit auf die hohlraumfreie Verfüllung. Für diese Untersuchungen stehen unserem Lehrstuhl mehrere hochwertige Rotations-Rheometer zur Verfügung. Diese Rheometer gestatten sowohl eine scherratengesteuerte Mes-sung (Vorgabe der Drehzahl) als auch eine schubspannungsgesteuerte Fahrweise (Vorgabe des Drehmomentes). Mit letzterem Modus ist eine Bestimmung der Fließgrenze möglich. Die messtechnischen Möglichkeiten der vorhandenen Rheometer decken auch die Bestim-mungen von Normalspannungen und instationäre Oszillationsmessungen ab. Zwecks Verifi-zierung können die am Lehrstuhl vorhandenen Rohrförderanlagen verschiedener Nennweiten genutzt werden. Dabei sind die rheologischen Eigenschaften nicht einzig auf den eingebrachten Feststoffanteil zurückzuführen. Die Breite der Bereiche gemessener Fließverhalten, in Abhängigkeit der Herkunft der Feststoffe, deutet auf Änderungen im Partikelspektrum und im Phasenspektrum

luftgelagertes Rheometer

hin. Neben den Kornspektren kommt den interparti-kularen Wechselwirkungskräften eine dominante Rolle zu. Das Phasenspektrum der Feststoffphasen gibt darüber hinaus Hinweise über das Wasserbinde-vermögen der Feststoffphase. Damit einhergehend sind eine Vergrößerung des volumetrischen Anteils der Feststoffphasen und eine entsprechende Ände-rung im rheologischen Verhalten verbunden. Noch komplizierter gestaltet sich eine Voraussage des zu erwartenden viskosen Verhaltens, wenn chemische Reaktionen der Phasenbestandteile im und mit gelös-ten Stoffen des Dispersionsmediums stattfinden. Die Untersuchungen zeigen, dass ohne genaue Kenntnis des Stoffsystems das viskose Verhalten und darüber hinaus die angestrebte restwasserfreie Ab-bindung und insbesondere die angestrebten mechani-schen Eigenschaften des Versatzmaterials nicht an-gegeben werden können.

Solche Untersuchungen dienen somit einer umfassenden Analyse aller Einflussfaktoren. Die Gruppe am Lehrstuhl beschäftigt sich jetzt verstärkt mit solchen Suspensionen, die eine Minderung des Reibungsverlustes in turbulenten Strömungen bewirken.

11

Wärmeübergang und Strahl-Wand-Wechselwirkungen bei Sprühprozessen

J. Schmidt, H. Boye, D. Dontschev, M. Könnig, M. Nacheva, G. Popiolek, T. R. Todorov

Sprühstrahlen sind durch eine starke Oberflächenvergrößerung der flüssigen Phase gekenn-zeichnet und werden häufig in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Die eigenen Un-tersuchungen konzentrieren sich auf den

• Wärmeübergang bei der Sprühkühlung (Experimente und Mikro-Makro-Modellierung)

• und die Strahl-Wand-Wechselwirkungen bei der Benzindirekteinspritzung.

In beiden Fällen ist die Sprühstrahlcharakteristik von entscheidender Bedeutung. Insbesondere werden die Prozesse beeinflusst durch die

• lokale Flüssigkeitsbeaufschlagungsdichte

• Tropfengrößenverteilung bzw. einen mittleren Tropfendurchmesser

• Geschwindigkeitsverteilung bzw. eine mittlere Geschwindigkeit.

Für unterschiedliche Düsentypen werden diese Größen messtechnisch mittels Patternator und PDA-System bestimmt. Erfahrungen liegen für die Stoffsysteme Wasser und Benzin bzw. für Benzinersatzstoffe vor. Der Wärmeübergang und die Strahl-Wand-Wechselwirkungen werden mit einer infrarotthermographischen Meßmethode und auch mittels Hochgeschwindigkeitsvi-deotechnik untersucht. Das wesentliche Ziel der Untersuchungen besteht in der Korrelation der Ergebnisse mit den genannten Strahlparametern und weiteren Einflussgrößen.

Blasensieden

Filmsieden

Benzinsprühstrahl-Hochgeschwindigkeitsvisualisierung (a) Strahl-Wand-Wechselwirkung (b) Flüssigkeitsfilm (Mikroskop)

Messung des Wärmeübergangs Benzindirekteinspritzung: zeitaufgelöste PDA-Messung Schmidt, J.; Boye, H.: Influence of Velocity and Size of the Droplets on the Heat Transfer in Spray Cooling. Chem. Eng. Technol. 24 (2001) 3, S. 255-260.

12

Kühlung von Walzdraht und Feinstahl

J. Schmidt, A. Lindemann

Das entstehende Gefüge und die Qualität des Walzgutes werden stark beeinflusst von der Technologie des Walzprozesses und der Integration innovativer Kühlstrecken in den Gesamt-prozess. Derartige Kühlstrecken erfordern eine durchgängige Prozesssimulation, um eine fle-xible Anpassung an die zu walzenden Materialien/Qualitäten und Durchmesser zu ermög-lichen.

Die Untersuchungen konzentrieren sich insbesondere auf

- den Wärmeübergang in Intensivkühlrohren und - die Auslegung von Luftkühlstrecken (z. B. STELMOR-Verfahren).

Es wurde ein mathematisches Modell entwickelt, welches sowohl den im Intensivkühlrohr vorherrschenden Wärmeübergang im Bereich des konvektionskontrollierten Filmsiedens als auch den einphasigen Wärmeübergang bei ruhender und bewegter Innenwand (Draht) be-schreibt. Die Grundlage hierfür bilden umfangreiche Untersuchungen zum Einfluss der Tur-bulenzbuchsen auf den ein- und zweiphasigen Wärmeübergang. Hierfür steht eine Versuchs-anlage zur Verfügung, mit der Messdaten zum einphasigen und zweiphasigen Wärmeüber-gang gewonnen werden können.

Das entwickelte Simulationsprogramm für den Bereich der Luftkühlstrecke basiert auf einem zweidimensionalen Modell zur Beschreibung des Wärmeübergangs in Abhängigkeit der Drahtgeometrie und der technologischen Parameter. Zur Verifizierung und Anpassung des Modells wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen in einem Drahtwalzwerk durchgeführt. Beide Simulationsprogramme ermöglichen eine durchgängige Beschreibung des Abkühlpro-zesses ausgehend vom letzten Walzgerüst bis zum Sammelschacht.

Intensivkühlrohr: schematischer Aufbau und Ge-schwindigkeitsfelder in Abhängigkeit der Buchsen-geometrie

Drahtabkühlung in der Luftkühlstrecke

Lindemann, A.; Schmidt, J.; Boye, H.: Numerical simulation and infrared-thermographic measurement of the cooling of wire rod. Heat Transfer (2002), Proceedings of the Twelfth International Heat Transfer Conference, S. 735-740.

13

Simulation von Transportprozessen in Mikrokanälen und Membranreaktoren

J. Schmidt, K. Georgieva, I. Mednev, D. Handtke

Für die Analyse des Wärmetransportes in Einlaufströmungen mit kleinen charakteristischen Abmessungen sowie zur Beschreibung typischer Siedebereiche in Mikroverdampfern wurde das Programmsystem CHI ++ entwickelt. Dieses basiert auf einer FV-Diskretisierung der Er-haltungsgleichungen unter Verwendung orthogonaler, strukturierter Gitter sowie konturange-passter Koordinaten und ermöglicht die Durchführung von 3D-Simulationen unter Einschluss der Chimera-Technik. In der einphasigen Strömung und im Bereich des konvektiven Siedens können die Simulati-onsergebnisse mit eigenen experimentellen Untersuchungen verglichen werden. In einem wei-teren Anwendungsfall soll CHI++ zur Beschreibung der Transportprozesse in Membranreak-toren genutzt werden. Membranreaktoren bieten insbesondere bei komplexen Reaktionsabläu-fen den Vorteil einer verbesserten Reaktionsführung durch eine optimierte Dosierung von Reaktanden bzw. die selektive Ausschleusung von Produkten. Ziele des Projektes sind

• Analyse und gezielte Beeinflussung des fluidseitigen Wärme- und Stofftransportes zur Verbesserung von Selektivität/Umsatz und Wärmeabfuhr

• Entwicklung detaillierter heterogener Modelle für die an katalytisch beschichteten Memb-ranen ablaufenden Prozesse

• Schaffung leistungsfähiger Simulationswerkzeuge durch den Einsatz mathematisch ba-sierter, effizienter Algorithmen

• Durchführung numerischer Experimente zum Einfluss von Geometrie und Betriebs-parametern

• Bestimmung des Einflusses der Reaktionskinetik und der speziellen Randbedingungen auf die lokalen Übergangsbedingungen im Einlaufbereich.

C2H6

N2

O2 N2

ProdukteKatalysator

Membran

Produktkanal

Heterogenes 3-Zonen-Modell (Reaktionsgeschwin-

digkeit der Ethenbildung)

Temperaturfelder in beheizten Mikrokanälen bei glatten und strukturierten Wänden

Membranreaktorvarianten Konzentrationsprofile im katalytischen Membranreak-tor (CMC)

Hapke, I.; Boye, H.; Schmidt, J.: Experimental and Numerical Investigations of Heat Transfer during Flow Boil-ing in Microchannels; 3rd European Congress of Chemical Engineering, Nürnberg, Proceedings, Wiley-VCH, 6/2001, 5 pages.

Konzentrationsprofile im katalytischen Membranreak- Membranreaktorvarianten tor (CMC): Ethan (links), Ethen (rechts)

14

Simulation von Schweißprozessen

J. Schmidt, S. Cernigovskii, T. Kotsev

Die Gebrauchsfähigkeit eines geschweißten Bauteils wird maßgeblich durch die Nahteigen-schaften, die Gefügeausbildung in der Wärmeeinflusszone, die Schweißeigenspannungen und den daraus resultierenden Schweißverzug beeinflusst. Diese Eigenschaften werden insbeson-dere durch die örtliche und zeitliche Temperaturverteilung im Werkstück bestimmt. Die Simulation der Temperaturverteilung gestattet bereits im Vorfeld der schweißtechnischen Fertigung die Abschätzung qualitätssichernder Schweißparameter, der zu erwartenden Gefüge sowie der mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Dadurch lässt sich der experimen-telle Aufwand bei der Erarbeitung qualitätsgerechter Schweißtechnologien senken. Eine verlässliche Simulation erfordert die Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen, die in Abhängigkeit des speziellen Schweißverfahrens durch ein entsprechendes physika-lisches Modell erfasst werden müssen. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich hierbei auf die Simulation der • Temperaturverteilung und Nahtausbildung beim Laserstrahlschweißen unter Berücksich-

tigung der Schmelzbaddynamik • Schmelzbadgeometrie, Nahtausbildung und Temperaturverteilung beim MAG-Schweißen

sowie die • Entwicklung verfahrensspezifischer Mikromodelle und Einbindung in kommerzielle Pro-

grammsysteme. Simulation Laserstrahlschweißen Simulation MAG-Schweißen (V-Nahtausbildung) Mahrle, A.; Schmidt, J.: The influence of fluid flow phenomena on the laser beam welding process. International Journal of Heat and Fluid Flow 23 (2002), S. 288-297.

15

Verdampfung in Minikanälen und Mikrowärmeübertragern

J. Schmidt, H. Boye, M. Cortina Díaz, J. Jekov, Y. Staate

Die Untersuchungen tragen einerseits Grundlagencharakter und dienen der Messung und Ana-lyse der Transportphänomene, der Siederegime und des Wärmeübergangs in Mikrokanälen. Andererseits haben sie einen direkten praktischen Bezug und sollen eine Verbesserung der Auslegungskriterien für Kompaktverdampfer ermöglichen. Die untersuchten Stoffsysteme orientieren sich u. a. an einer Anwendung in Brennstoffzellenantrieben.

Teilprojekte:

• Messung und numerische Simula- tion des Wärmeübergangs, • Verdampfung von Gemischen (u. a. Methanol/Wasser), • Betriebscharakteristik von Kompakt- verdampfern – Vergleich von Simulation und Experiment.

Versuchstechnik:

• Mikrokanalverdampfer • Kapillarrohrverdampfer • Rekuperativer Verdampfer

Messprinzip: Versuchsanlage zur Verdampfung in Mikrokanälen

Thermovision

Massenstrom

q&

Uq&

TWa

TWi

Elektr. Beheizung

( ) ( )i

aUel

AAzqPzq ⋅−

=&

&

( ) ( )( ) ( )pTzT

zqzSWi −

=&

α

Messung:TWa(z), , Puq& el

Berechnung: TWi(z)

Ergebnisse:

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20WAα

0 0 0, 0 0,,2 4 ,6 8

quality [-]

scal

ed h

eat t

rans

fer c

oeffi

cien

t [-] q = 17 kW/m²

q = 19,3 kW/m²

q = 21,6 kW/m²

q = 24 kW/m²

capillary tube n - octane m=50 kg/(m²s) p =3 bar

)K²m/(W380B =α

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

quality [-]

scal

ed h

eat t

rans

fer c

oeffi

cien

t [-]

capillary tube n - hexane / n - octane = 0,52 m = 50 kg/(m²s) q = 22,8 kW/m² p = 3 bar

- Waermeatlas

- Kandlikar-correlation

- Experiment

- Model

BWA / αα

B/ αα BK / αα

Mα

Kα

α

BM / αα

)K²m/(W320B =α

1x~

Wärmeübergangskoeffizienten bei der Verdampfung in Minikanälen

Hapke, I.; Boye, H.; Schmidt, J.: Flow boiling of water and n-Heptane in micro channels. Microscale Thermo-physical Engineering (2002), S. 99-115.

16

Wärmeübergangsmessungen mittels Infrarotthermografie

J. Schmidt, E. Specht, H. Boye, H. Woche, F. Puschmann, J. Al-Karawi, J.Krol, M. Attalla Mittels Infrarotthermografie wird die örtliche Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten gemessen. Dazu wird ein dünnes Blech aus Inconel mit einem elektrischen Strom bekannter Stärke (bis 400 A) und Spannung (bis 7 V) durchflossen. Damit ist der Wärmestrom bekannt. Die eine Seite des Bleches wird gekühlt. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise ein Luft-strahl, ein Düsenfeld oder ein Wasserstrahlenfeld sein. Je höher die örtliche Kühlwirkung ist, desto niedriger ist die sich einstellende Temperatur. Auf Grund der geringen Dicke des Ble-ches ist die Temperatur auf beiden Seiten näherungsweise gleich. Die Temperatur wird auf der Rückseite mit der Infrarotthermokamera gemessen, und zwar mit einer Genauigkeit von 0,1 K, einer örtlichen Auflösung bis 0,2 mm und einer zeitlichen Frequenz von 2000 pro Se-kunde, was für instationäre Vorgänge besonders geeignet ist. Die Rückseite des Bleches ist geschwärzt, um definierte Messbedingungen zu erhalten. Das Blech kann bis 900 °C erwärmt werden, so dass bei einer Beaufschlagung mit Wasser die Messung der Film- und Blasenver-dampfung möglich ist.

Luftkühlung – Düsenfeld

150 l/h5bar;22°C

IR-picture

PDA-Data

300 A

IR Radiation

IR Camera0.2 mm/Pixel

IR Analysisunit

PDA-Analysis unit

Direct currentsource

Metal sheet0.1 - 0.3 mm

Nozzle

Transmitter

PDA-Receiver

Water

Pump

Registrationof operationconditions

Laser (4 Watt)

Versuchsanordnung

Anwendungsbereiche: - Kühlung von Körpern komplexer Geometrie in Luftdüsenfeldern - Metallkühlung mit Spritzwasser - Metallkühlung mit Sprays (Vermeidung Leidenfrostproblematik) - Wärmeübergangsmessung in Einlaufströmungen mit Querschnittserweiterung - Wärmeübergang in Mikroverdampfern

Díaz, M.C.; Woche, H.; Schmidt, J.; Specht, E.: Measurement of Local Heat Transfer Coefficients of Develop-ing Flows Using IR-Thermography. 7th Int. Conference on Quantitative Infrared Thermography. 5.-8. July 2004, von Karman Institute, Rhode-St. Genese, Belgium. Woche, H.; Specht, E.; Schmidt, J.: Messung des lokalen Wärmeübergangs im Einlaufbereich von Rohren nach Querschnittsänderungen. Chemie Ingenieur Technik 74 (2002), 1711-1714. Puschmann, F.; Specht, E.: Transient Measurement of Heat Transfer for Metal Quenching with Atomized Sprays. Experimental Thermal and Fluid Science 28 (2004) 607-615. Puschmann, F.; Specht, E.; Schmidt, J.: Measurement of Spray Cooling Heat Transfer Using an Infrared-Technique in Combination with the Phase-Doppler Technique and a Patternator. Int. J. of Heat and Technology, Vol. 19, N. 2-2001, 51 – 56

17

Simulation von Prozessen in Drehrohröfen

E. Specht, S. Agustini, X. Liu, A. Nirmolo, H. Woche, Y. Sonavane, S. Yichun

Zur Modellierung von Prozessen in Drehrohröfen werden für

- die Materialbewegung - den Wärmetransport und - die Flammenausbreitung

reduzierte mathematische Modelle erarbeitet. Auf deren Basis werden dann gesamte Prozesse simuliert. Beschrieben wird u. a. der Einfluss der Länge, des Durchmessers, der Drehzahl und des Füllungsgrades des Drehrohrofens sowie der Eigenschaften des Materials. Für den Quer-transport werden mathematische Modelle hergeleitet, mit denen die Gleitlinie, die Geschwin-digkeitsprofile und die örtlichen Massenströme beschrieben werden können. Die theoreti-schen Ergebnisse stimmen relativ gut mit eigenen und fremden Messwerten überein. Für wei-tere Messungen besteht ein gemeinsames Forschungsvorhaben mit Prof. Dr. P. Walzel von der Universität Dortmund. Die Flammenausbreitung wird mit dem CFD-Programmsystem FLUENT berechnet. Untersucht wird u. a. der Einfluss der Luftvorwärmung, der Brenn-stoffart (Kohle, Öl, Gas), des Dralls und der Brennerkonstruktion. Auf Basis bekannter Theo-rien werden Zusammenhänge zwischen den Größen und der Brennstoffart hergeleitet. Zur Beschreibung des komplizierten Wärmetransportmechanismusses werden Modelle für den Transport über die Wand und in der bewegten Schüttung erarbeitet in Abhängigkeit der Mate-rialeigenschaften der Wand bzw. des Schüttgutes. Zur experimentellen Bestimmung des Wärmetransportes dient ein Versuchsofen (Innendurchmesser 400 mm), in dem radial und axial das Temperaturfeld kontinuierlich bis 1100 °C gemessen werden kann. Zusätzlich kann der axiale Verlauf der Gaskonzentrationen erfasst werden. Der Ofen kann im Gleich- und Gegenstrom betrieben werden. Verstellt werden können Drehzahl und Neigung.

Temperature profile along the circumference of the rotary kiln sand 85 kg/h ; primary air 29 m3/ h ; natural gas 2.6 m3/ h

200

300

400

500

600

700

800

900

-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180Angle [ φ ] °

Tem

pera

ture

[ °

C ]

60mm deep 40 mm 20 mm 5 mm wall

Temperaturprofil in Drehrohröfen

ω

φ

Pendulum

φ0

Receiver

T (φ , t ) Thermocouples

sender

ω

φ

Pendulum

φ0

Receiver

T (φ , t ) Thermocouples

sender

Temperaturverlauf in Schüttbett und Gas während der Drehung

Mellmann, J.; Specht, E.: Mathematische Modellierung des Übergangsverhaltens zwischen den Formen der transversalen Schüttgutbewegung in Drehrohren. Englisch und Deutsch. Zement, Kalk, Gips Int. 54 (2001), 281-296 und 380 - 402. Mellmann, J.; Specht, E.; Liu, X.Y.: Mathematical modelling of cascading bed motion in rotating cylinders on the basis of measurable bed material properties. AIChE Journal (2004). Queck, A.: Untersuchung des Wärmetransportes in Drehrohröfen. Dissertation Uni Magdeburg 2002. Giese, A.: CDF-Simulation zur Ausbreitung von Flammen in Drehrohröfen. Dissertation Uni Magdeburg 2003. Liu, L.: Experimental and theoretical study of transverse solids motion in rotary kilns. Dissertation Uni Magde-burg 2005. Agustini, S.: Regeneerative action of the wall on the heat transfer for directly and indirectly heated rotary kilns. Dissertation Uni Magdeburg 2006.

18

Simulation von Prozessen in Schachtöfen

E. Specht, A. Bes, Z. Waniek Am Beispiel von Kalkschachtöfen werden die Strömungs-, Temperatur- und Konzentrations-felder in reaktiven Schüttungen simuliert. Mit dem CFD-Programmsystem FLUENT wird die Flammenausbreitung in der Schüttung für die radiale und axiale Eindüsung verschiedener Brennstoffe berechnet. Untersucht wird u. a. der Einfluss des Längen/Durchmesser-Verhältnisses des Ofens, der Eindüsungsgeschwindigkeiten, des Lückengrades, der Luftvor-wärmung und des Volumenstromverhältnisses. Der Verlauf der Temperaturen und Konzentrationen wird berechnet unter Berücksichtigung der gekoppelten Reaktionen der Koksverbrennung und der Kalksteinzersetzung. Untersucht wird u. a. der Einfluss der Luftzahl, des Kokssatzes, der Korngröße und der Koksart auf den Energieverbrauch und die Kalkqualität.

Simulation der Verbrennung in der Schüttung eines Schachtofens mit axialer Brennerlanze

und Seitenbrennern Specht, E.: Kinetik der Abbaureaktionen. Cuvillier Verlag Göttingen 1993 Giese A.; Specht, E.: Einfluss der Form auf die Verbrennung von Kohlepartikeln mit gleichem Siebdurchmesser. 20. Deutscher Flammentag. VDI Berichte (2001)Nr. 1629, 109-114. Bes, A.; Specht, E.: Lowering Energy Usage of Limestone Calcination in Shaft Kilns by Dynamic Process Simu-lation. 2nd Int. Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering. Gliwice-Ustron. 21.-25. June 2004, Poland. Bes, A.: Dynamic Process Simulation of Limestone Calcination in Normal Shaft Kilns. Dissertation Uni Magde-burg 2006.

19

Simulation des Wärmeüberganges und der Guterwärmung in Rollenöfen

E. Specht, M. Chmielowski In Rollenöfen ist bedingt durch die Transportrollen der Wärmeübergang von Gas an das Gut an dessen Ober- und Unterseite unterschiedlich. Um Bedingungen für eine Vergleichmäßi-gung der Guterwärmung aufzustellen, muss der Wärmeübergang auf der Ober- und Unterseite berechenbar sein. Für den Kontaktwärmeübergang Rolle-Gut wurde ein mathematisches Modell aufgestellt. Demnach treten im Kontaktbereich Wärmeübergangskoeffizienten bis 30000 W/ ( )Km ⋅2 auf. Diese Werte wurden mit einer Versuchsanlage verifiziert, bei der der Wärmeübergang über eine Transportrolle mit elektrischer Innenbeheizung und einem kontinuierlich umlaufenden Metallband mittels Infrarot-Thermografie gemessen wurde. Für den Wärmeübergang über die Transportrolle wurde ein vereinfachtes mathematisches Modell entwickelt, mit dem dieser in Abhängigkeit der Drehzahl, der Materialeigenschaften, des Durchmessers und der Wanddicke dargestellt werden kann. Demnach behindern die Transportrollen den Wärmeübergang bei keramischem Gut. Bei metallischem Gut ist dagegen der Wärmeübergang auf der Unterseite höher als auf der Oberseite. Für den Wärmeübergang durch Strahlung wird der Einfluss des Rollenabstandes, der Ofenhö-he, der Deckenwölbung, der Gutbreite und des Brennerabstandes untersucht. Anhand der Er-gebnisse werden Kriterien zur Vergleichmäßigung der Guterwärmung erarbeitet.

10

100

1000

10000

100000

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3x/R

α in

W/(m

2 K)

Rolle 20 mmRolle 60 mmRolle 100 mmStrahlung

Kontaktbereich

αε

0

50

100

150

200

250

300

4000 6000 8000 10000 12000 14000

Q*

in W

/m2 /K

n = 5 U/minn = 2 U/minn = 0.5 U/minϑG = 1000°C

αε = 375 W/(m2·K)D = 60 mm

Al2O3 Stahl SiC

Wärmeübergangskoeffizient im Kontaktbereich Von der Rolle übertragener Wärmestrom in Abhängigkeit vom Wärmeeindringkoeffizienten

Holzapfel, K.-U.; Specht, E.: Wärmeübergang zwischen Transportrolle und Gut im Rollenofen. Gaswärme Int. 48 (1999), 275-280. Specht, E.; Holzapfel, K.-U.: Compensation of the Heat Transfer on the Upper-Side and Under-Side in Roller Kilns. Proceedings 5th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, Porto 2000, Vol. 1, 577-586. Specht, E.; Holzapfel, K.-U.: Heat Transfer between Transport Rollers and Plates. Proceedings 3rd European Thermal Science Conference, Heidelberg 2000, 701-704. Kaiser, R.; Specht, E.; Jeschar, R.: Gebrauchsgleichungen für die Guterwärmung bei Strahlung – ermittelt mit einem genetischen Algorithmus. Gaswärme Int. 49 (2000), 355-358. Chmielowski, M.; Specht, E.: Einfluss der Transportrollen auf den Wärmeübergang in Rollenöfen. Gaswärme Int. 52 (2003), 451-455. Chmielowski, M.: Modellierung der unter- und oberseitigen Wärmeübertragung an plattenförmiges Gut in Rol-lenöfen. Dissertation Uni Magdeburg 2005.

20

Kühlstrategien zur Vergleichmäßigung der Oberflächenhärte und zur Minimierung des Verzuges

E. Specht, M. Brzoza, J. Krol; Y. Kaymak Nach Härteprozessen oder nach der Kühlung von Wärmebehandlungsprozessen treten an den Werkstücken eine ungleichmäßige Verteilung der Oberflächenhärte und eine unerwünschte Verformung (Verzug) auf. Insbesondere bei einer Kühlung mit Flüssigkeiten ist der Wärme-übergang auf Grund der Leidenfrostproblematik mit dem undefinierten Zusammenbruch des Dampffilmes örtlich und zeitlich verschieden. Daher werden neue Kühlverfahren (Verdamp-fungskühlung, Düsenfeldkühlung) entwickelt, um den örtlichen Verlauf des Wärmeübergangs gezielt einstellen zu können. Das Temperatur-, Gefüge-, Spannungs- und Dehnungsfeld im Werkstück wird auf Basis von FEM gekoppelt berechnet. Daraus werden Strategien zur Ein-stellung des Wärmeübergangsfeldes ermittelt, um die Härte zu vergleichmäßigen und den Verzug zu minimieren. Die Berechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit entsprechenden experimentellen Werten, die am Institut für Werkstofftechnik an der Universität Bremen für Bauteile komple-xer Geometrie ermittelt wurden. Für Langprofile aus Stahl wurde gezeigt, dass diese durch gezielte Wärmeabfuhr verzugsfrei abgekühlt werden können.

Gekerbte Welle Schneidwerkzeug a) Temperaturfeld a) Temperaturfeld b) Spannungsfeld b) Spannungsfeld

Mathematische Simulation Abschreckung in einem Düsenfeld

Durch gezielte Einstellung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten lassen sich die Span-nungsspitzen abbauen und der Verzug minimieren. Hierzu werden Kühlstrategien entwickelt und im Experiment die technologische Umsetzung untersucht. Pietzsch, R.: Simulation des Abkühlverzuges von Stahlprofilen. Technische Mechanik 20 (2000) 265-274 Pietzsch, R.: Simulation und Minimierung des Verzuges von Stahlprofilen bei der Abkühlung. Dissertation Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2000 Fritsching, U.; Ohland, J.; Belkessam, O., Lübben, T.; Mayr, P.; Specht, E.; Brzoza, M.: Flexible Gasabschre-ckung komplexer Bauteile zur Einstellung gleichmäßiger Härte und minimierter Maß- und Formänderungen. Gaswärme Int. 51 (2002) 227-231. Specht, E.; Brzoza, M.: Simulation of Structure and Stresses during Quenching of Steel Charges to Minimize Distortion. Jubilee Scientific conference University of Chemical Technology and Metallurgy. Sofia (Bulgaria) 4.-5. June 2003.

21

Spraykühlung als neues Kühlverfahren für heiße Metalle

E. Specht, J. Krol

Mit der Spraykühlung wird ein neues Kühlverfahren für heiße Metalle experimentell unter-sucht. In Bild 3 sind Spraykühlung und Spritzwasserkühlung gegenübergestellt. Bei der Spritzwasserkühlung bildet sich auf der heißen Oberfläche ein Dampffilm aus. Durch den Einfluss der Kante bricht der Dampffilm am Rand sofort zusammen. Dadurch kommt es zu einer intensiven Kühlwirkung. Das Temperaturprofil fällt zum Rand hin stark ab. Bei der Spraykühlung bildet sich kein Wasserfilm aus. Der Wärmeübergangskoeffizient ist der Was-serbeaufschlagungsdichte proportional. Wie mit der in Bild 1 gezeigten Messapparatur nach-gewiesen wurde, treten Randeffekte nicht auf. Dadurch entsteht ein ausgeglichenes Tempera-turprofil. Wie aus Bild 2 zu erkennen ist, wird bei der Spraykühlung zum erzielen des glei-chen Wärmeübergangskoeffizienten wie bei der Spritzwasserkühlung nur 1/10 bis 1/20 der Wassermenge benötigt. Durch die Vergleichmäßigung des Temperaturprofils, insbesondere durch die Anhebung der Temperatur im Randbereich, wird mit der Spraykühlung die Qualität erheblich verbessert. Die Verbesserung besteht in einer Vergleichmäßigung der Oberflächen-härte, dem Abbau von Eigenspannungen an der Kante und einer Verringerung des Verzugs.

Spray direction

Metal sheet

Upper area

Lower area

Edge

zx

IR Camera

Bild 1: Wärmeübergang an Kanten

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4 5 6Impingement density [kg/(m² s)]

Hea

t-tra

nsfe

r coe

ffici

ent

αW

[W/(m

² K)] Evaporation

quenching

Water spray quenching

Atomized sprayquenching

ϑS = 900 °CpA

0,5 MPa

0,2 MPa

Bild 2: Wärmeübergangskoeffizient bei der Spraykühlung, Verdampfungskühlung und Spritzwasserkühlung

Film boiling

Nucleate boiling

Water spray Fine waterspray

Water film

Vapor

α

α

ϑ ϑ

S Sm m

Hot solid Hot solid

NozzleWater spray quenching Atomized spray quenching

Water WaterAirNozzle

Bild 3: Vergleich von Spraykühlung und Spritzwasserküh-lung

Puschmann, F.; Specht, E.: Spraykühlung als alternatives Kühlverfahren für heiße Metalle. Chemie Ingenieur Technik 75 (2003) 1625-1628. Puschmann, F.; Specht, E.: Atomized Spray Quenching as an Alternativ Quenching Method for Defined Ad-justment of Heat Transfer. Steel research int. 75 (2004) 283-288. Puschmann, F.; Specht, E.: Transient Measurement of Heat Transfer for Metal Quenching with Atomized Sprays. Experimental Thermal and Fluid Science 28 (2004) 607-615. Puschmann, F.; Specht, E.; Schmidt, J.: Measurement of Spray Cooling Heat Transfer using an Infrared-Technique in combination with the Phase-Doppler-Technique and a Patternator. International Journal of Heat & Technology, Volume 19, N. 2-2001, 51-56.

22

Ausgewählte Forschungsprojekte – Drittmittel

• Analyse, Modellbildung und Berechnung von Strömungsmischern mit und ohne chemi-

sche Reaktionen Laufzeit: 12/05 – 11/07 Fördereinrichtung: DFG Projektleiter: Prof. Thévenin

• Direkte numerische Simulation der Flammen/Akustik-Wechselwirkung Laufzeit: 12/05 – 11/07 Fördereinrichtung: DFG Projektleiter: Prof. Thévenin

• Particle Tracking Velocimetry Laufzeit: 06/06 – 11/07 Fördereinrichtung: DFG Projektleiter: Prof. Thévenin

• Verringerung der Abgasemissionen aus der Verbrennung durch die Verwendung von angeregten Radikalen

Laufzeit: 10/05 – 09/08 Fördereinrichtung: Kultusministerium LSA Projektleiter: Prof. Thévenin

• Volumenstrommessung in einem Belüftungsrohr für Kläranlagenreinigungspumpen Laufzeit: 12/04 – 03/05 Fördereinrichtung: Industrie Projektleiter: Dr. Wunderlich

• Entwicklung und gerätetechnische Realisierung einer Messmethode zur Messung des Luftvolumenstromes in einem Belüftungsrohr für Kläranlagenreinigungspumpen

Laufzeit: 12/04 – 03/05 Fördereinrichtung: Industrie (KSB Halle) Projektleiter: Dr. Pap / Dr. Wunderlich

• Theoretische und numerische Untersuchung der Zulaufbedingungen von Apparaten Laufzeit: 12/05 – 01/06 Fördereinrichtung: Industrie (KSB Halle) Projektleiter: Dr. Pap / Dr. Wunderlich

• Untersuchung der Luftausgasung und Kavitation in Dieselkraftstoffen Laufzeit: 01/06 – 02/06 Fördereinrichtung: R. Bosch GmbH Projektleiter: Prof. Thévenin

• Strömungstechnische Optimierung eines Gießsystems für Kupferschmelze Laufzeit: 08/06 – 11/06 Fördereinrichtung: Industrie CPI Projektleiter: Prof. Thévenin • CFD-Kurs Laufzeit: 05/06 Projektleiter: Prof. Thévenin / Dr.-Ing. Janiga

23

• Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Mineral-Wasser-Suspensionen Laufzeit: 09/05 – 12/06 Fördereinrichtung: Industrie / Iratec

• Misch- und Wärmetransportvorgänge bewegter Schüttungen in Drehrohröfen Laufzeit: 08/01 – 10/07 Fördereinrichtung: DFG (SP 355/6-1) Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. E. Specht Mitarbeiter: M. Sc. S. Agustini, Dr. X. Liu

• Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen. The-menbereich: Feststoffe unter thermischen Lasten.

Laufzeit: 01/03 – 12/08 Fördereinrichtung: DFG-Graduiertenkolleg 828 Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. E. Specht, Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Mitarbeiter: Dipl.-Ing. M. Nacheva, Dipl.-Ing. Y. Kaymak,

Dipl.-Ing. S. Ulzama, Dipl.-Ing. St. Fest

• Numerische Simulation der Transportprozesse in Reaktoren mit katalytisch beschichteten Membranen (CMR)

Laufzeit: 09/05 – 08/07 Fördereinrichtung: DFG Forschergruppe 447 Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Mitarbeiter: Dipl.-Ing. G. Geike

• Simulation thermomechanischer Vorgänge beim Laserstrahlschweißen unter Berücksich-tigung transienter Einflüsse im Nahtbereich

Laufzeit: 07/03 – 03/06 Fördereinrichtung: AiF/GFaI Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Mitarbeiter: Dr.-Ing. S. Cernigovskii, Dipl.-Ing. T. Kotsev

• Ermittlung und vergleichende Bewertung der Temperaturabhängigkeit der thermophysi-kalischen Stoffwerte bis 1600 °C als Simulationsgrundlage von Wärmebehandlungspro-zessen und Anlagen

Laufzeit: 10/05 – 09/07 Fördereinrichtung: AiF Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt; Prof. Dr.-Ing. E. Specht Mitarbeiter: Dr.-Ing. J. Al-Karawi, Dipl.-Ing. M. Nacheva, M. Sc. M. Silva Gonzales

• Ermittlung thermophysikalischer Eigenschaften für Alugussproben Laufzeit: 04/04 – 03/05 Fördereinrichtung: Inferta – Institut für Fertigungstechnik im Automobilbau GmbH,

Magdeburg Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Mitarbeiter: Dr.-Ing. J. Al-Karawi • Untersuchung der Spraystabilität von HD-Injektoren für das strahlgeführte Direktein-

spritzverfahren bei Ottomotoren Laufzeit: 11/05 – 12/06 Fördereinrichtung: LSA-Forschungsschwerpunkt „Automotive“ Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Mitarbeiter: Dipl.-Chem. M. Könnig

24

• Experimentelle Ermittlung der Sprühstrahlcharakteristiken einer Benzin-Mehrlochdüse

unter Druckkammerbedingungen Laufzeit: 09/05 – 12/06 Fördereinrichtung: Volkswagen AG, Wolfsburg Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Mitarbeiter: Dr.-Ing. H. Boye, Dipl.-Chem. M. Könnig, Dipl.-Ing. G. Geike Darüber hinaus wurden Forschungsprojekte im Rahmen der Graduiertenförderung des Landes Sachsen-Anhalt und des DAAD sowie im Rahmen von Kleinverträgen mit verschiedenen Industriepartnern bearbeitet.

25

Wissenschaftliche Publikationen

Zeitschriften

Lehrstuhl Strömungsmechanik und Strömungstechnik El-Rabii, H., Gaborel, G., Lapios, J.P., Thévenin, D., Rolon, J.C. and Martin, J.-P., Laser spark ignition of two-phase monodisperse mixtures. Optics Com. 256(4-6), (2005) 495-506.

El-Rabii, H., Zähringer, K., Rolon, J.-C. and Lacas, F., Laser ignition in an LPP injector. VDI Ber. 1888, (2005) 325-331.

Fayoux, A., Zähringer, K., Gicquel, O. and Rolon, J.-C., Experimental and numerical deter-mination of heat release in counterflow premixed laminar flames. Proc. Combust. Inst. 30, (2005) 251-257.

Krause, N., Zähringer, K. and Pap, E., Time-resolved particle imaging velocimetry for the investigation of rotating stall in a radial pump. Exp. Fluids 39(2), (2005) 192-201.

Laverdant, A. and Thévenin, D., Direct numerical simulation of a gaussian acoustic wave interaction with a turbulent premixed flame. C. R. Acad. Sc. 333, (2005) 29-37.

Lemaire, A., Zähringer, K., Meyer, T.R. and Rolon, J.-C., Unsteady effects on flame extinc-tion limits during gaseous and two-phase flame/vortex interactions. Proc. Combust. Inst. 30, (2005) 475-483.

Öncül, A., Elsner, M.P., Thévenin, D. and Seidel-Morgenstern, A., Numerische Untersuchung der Kristallisation zur Enantiomerentrennung in komplexen Strömungen. Chem. Ing. Tech. 8, (2005) 1040-1041.

Öncül, A., Sundmacher, K. and Thévenin, D., Numerical investigation of the influence of the activity coefficient on barium sulphate crystallization. Chem. Eng. Sci. 60, (2005) 5395-5405.

Shalaby, H., Hilbert, R., Laverdant, A. and Thévenin, D., Direct Numerical Simulation of turbulent reacting flows using accurate physical models. ERCOFTAC Bul. 64, (2005) 35-38.

Thévenin, D., Three-dimensional direct simulations and structure of expanding turbulent methane flames. Proc. Combust. Inst. 30, (2005) 629-637.

Fernandez Fernandez, A., Brichard, B., Berghmans, F., El-Rabii, H., Fokine, F. and Popov, M., Chemical composition fiber gratings in a high mixed gamma neutron radiation field. IEEE Trans. Nucl. Sci. 53(3), (2006) 1607-1613.

Hilbert, R., Janiga, G., Baron, R. and Thévenin, D., Multi-objective shape optimization of a heat exchanger using parallel genetic algorithms. Int. J. Heat Mass Trans. 49(15-16), (2006) 2567-2577.

Öncül, A., Sundmacher, K., Seidel-Morgenstern, A. and Thévenin, D., Numerical and ana-lytical investigation of barium sulphate crystallization. Chem. Eng. Sci. 61, (2006) 652-664.

26

Lehrstuhl Technische Thermodynamik Lindemann, A.; Schmidt, J.: ACMOD-2D – A heat transfer model for the simulation of the cooling of wire rod. Journal of Materials Processing Technology, 169 (2005) 466-475. Woche, H.; Specht, E.; Schmidt, J.: Local Heat Transfer in Tubes after Sudden Change of Diameter. Chemical Engineering Technology (2005), 28, No. 6, 677-683. Berg, A.; Iben, U.; Meister, A.; Schmidt, J.: Modeling and simulation of cavitation in hydrau-lic pipelines based on the thermodynamic and caloric properties of liquid and steam. Shock Waves 14 (2005) 1-2, 111-121. Georgieva, K.; Mednev, I.; Handtke, D.; Schmidt, J.: Influence of the Operating Conditions on Yield and Selectivity for the Partial Oxidation of Ethane in a Catalytic Membrane Reactor. Catalysis Today Volume 104, Issues 2-4 ,2005, Pages 168-176. Lehrstuhl Thermodynamik und Verbrennung Chmielowski, M.; Specht, E.: Einfluss der Transportrollen auf die Temperaturverteilung in plattenförmigem Gut in Rollenöfen. Gaswärme int. 7 (2004) 1-4.

Puschmann, F.; Specht, E.: Atomized Spray Quenching as an Alternativ Quenching Method for Defined Adjustment of Heat Transfer. Steel research int. 75 (2004) 283-288.

Liu, X.; Mellmann, J; Specht, E.: Factors influencing the rolling bed motion and transversial residence time of particles in rotary kilns. Cement, Lime, Gypsum int. 58 (2005) 62-73.

Pietzsch, R.; Brzoza, M.; Kaymak, Y.; Specht, E.; Bertram, A.: Minimizing of Distortion of Steel Profiles by Controlled Cooling. Steel Research int. 76 (2005) 399-407.

Liu; X.; Specht, E.; Mellmann, J.: Slumping-rolling transition of granular solids in rotary kilns. Chemical Engineering Science. 60 (2005) 3629-3636.

Woche, H.; Specht, E.; Schmidt, J.: Local Heat Transfer in Tubes after Sudden change of Di-ameters. Chemical Engineering and Technology 28 (2005) 677-683.

Liu, X.; Specht, E; Mellmann, J.: Experimental study of the upper and lower angle of repose of granular materials in rotating drums. Powder Technology 154 (2005) 125-131.

Brzoza, M.; Specht, E.; Ohland, J.; Ohland; Lübben, Th.; Belkessam, O.; Fritsching, U.; Mayr, P.: Düsenfeldanpassung bei der flexibler Gasabschreckung zur Vergleichmäßigung des Härteergebnisses am Beispiel einer abgesetzten Welle. Härterei-Technische Mitteilungen 60 (2005) 166-172.

Woche, H.; Nirmolo, A.; Skroch, R.; Specht, E.: Intensivmischung von radialen Düsenstrah-len mit einer Hauptströmung. Gaswärme International 54 (2005) 301-307.

Junge, K.; Specht, E.; Telljohann, U.; Deppe, D.: Drying of green bricks. Brick and Tile In-dustry International No 8 (2005) 39-51.

Agustini, S.; Specht, E.: Influence of the Regenerative Heat of the Wall on the overall Heat Transfer in Rotary Kilns. Cement international 3 (2005), 60-73.

27

Buchbeiträge und Tagungsbände

Lehrstuhl Strömungsmechanik und Strömungstechnik

Bordás, R., Meinecke, D. and Wunderlich, B.: LDV signals provide more information about bubble flow than used before. In: Workshop on Multiphase Flows: Simulation, Experiment and Application, Forschungszentrum Rossendorf, Germany, 1-2, 2005.

Janiga, G. and Benke, M.: Numerical simulation of a gas burner. In: microCAD 2005 Interna-tional Scientific Conference, Section F: Fluid and Heat Engineering, 10-11 March 2005, Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 646 9, 53-59, 2005.

Janiga, G. and Thévenin, D.: Direct Numerical Simulation of turbulent reacting flows invol-ving dilute particles. In: Direct and Large-Eddy Simulation DLES-6, Poitiers, France, 1-8, 2005.

John, V., Angelov, I., Öncül, A., Sundmacher, K. and Thévenin, D.: Towards the optimal reconstruction of a distribution from its moments. In: AIChE Annual Meeting, Cincinnati, 1-13, 2005.

Kalmár, L., Pap, E. and Krause, N.: Comparison of the measured and calculated head-discharge characteristic curves of the radial flow pump. In: microCAD 2005 International Science Conference, Section F: Fluid and Heat Engineering, 10-11 March 2005, Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 646 9, 61-69, 2005.

Krause, N., Zähringer, K. and Pap, E.: Investigation of rotating stall in a radial pump by time-resolved particle imaging velocimetry. In: 5th International Conference of PhD students, En-gineering Sciences I, 14-20 August 2005, Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 673 6, 111-116, 2005.

Öncül, A., Elsner, M., Thévenin, D. and Seidel-Morgenstern, A.: Numerical analysis of the preferential crystallization of enantiomers in complex flows. In: 12th International Workshop on Industrial Crystallization BIWIC2005, (Jones, M. J. and Ulrich, J., Eds.), Halle, Germany, ISBN 3-86010-797-6, 165-172, 2005.

Öncül, A., Elsner, M.P., Thévenin, D. and Seidel-Morgenstern, A.: Numerische Untersuchung der Kristallisation zur Enantiomerentrennung in komplexen Strömungen. In: GVC-DECHEMA-Jahrestagungen, paper 1140, Wiesbaden, Germany, 2005.

Öncül, A., Thévenin, D., Elsner, M. and Seidel-Morgenstern, A.: Numerical analysis of the preferential crystallization of enantiomers. In: 11th Workshop on Two-Phase Flow Predic-tions, (Sommerfeld, M., Ed.), Halle-Merseburg, Germany, ISBN 3-86010-767-4, 5.10/1-5.10/15, 2005.

Pap, E., Krause, N. and Zähringer, K.: Unsteady flow phenomena investigated in radial impel-ler using time resolved PIV. In: microCAD 2005 International Science Conference, Section F: Fluid and Heat Engineering, 10-11 March 2005, Miskolc, Hungary, ISBN 963 661 646 9, 91-99, 2005.

Shalaby, H., Laverdant, A. and Thévenin, D.: Interaction of an acoustic wave with a turbulent premixed syngas flame. In: 12th International Congress on Sound and Vibration, (Bento Coehlo, J. L. and Alarcao, D., Eds.), Lisbon, Portugal, 635/1-635/8, 2005.

28

Shalaby, H., Thévenin, D. and Laverdant, A.: Using DNS to investigate flame / acoustic in-teraction. In: Euromech Colloquium 467 on Turbulent Flow and Noise Generation, (Juvé, D. and Munz, C.-D., Eds.), Marseille, France, 100-103, 2005.

Thévenin, D., Hilbert, R., Shalaby, H. and Janiga, G.: Initial flame propagation in a turbulent flow. In: ECCOMAS Thematic Conference on Computational Combustion, (Coehlo, P.J., Semiao, V. and Toste de Azevedo, J.L., Eds.), Lisbon, Portugal, 25/1-25/20, 2005.

Thévenin, D., Shalaby, H. and Janiga, G.: Accurate DNS of reacting flows: impact of bound-ary conditions and of physical models. In: First Workshop on Quality Assessment of Unsteady Methods for Turbulent Combustion Prediction and Validation, Seeheim, Germany, 2.4/1-2.4/4, 2005.

Thévenin, D., Zähringer, K. and Janiga, G.: Automatic optimization of two-dimensional burn-ers. In: European Combustion Meeting ECM05, Louvain, Belgium, 240/1-240/6, 2005.

Bordás, R., Kuhn, R., Michaelis, B., Thévenin, D. and Wunderlich, B.: Towards the investiga-tion of vortex structures in gas flows with 3D-highspeed Particle Tracking using coloured tracers. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.

Bordás, R., Öncül, A., Zähringer, K. and Thévenin, D.: Optical measurements in two-phase flows involving particles. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.

Imberdis, O., Bensler, H., Hartmann, M., Hentschel, W., Ohmstede, G. and Thévenin, D.: Visualization and characterization of intake-port model induced turbulent structures. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.

Janiga, G., Gordner, A., Shalaby, H. and Thévenin, D.: Simulation of laminar burners using detailed chemistry on parallel computers. In: ECCOMAS CFD, Egmond aan Zee, The Nether-lands, 2006.

Janiga, G., Hilbert, R., Baron, R. and Thévenin, D.: Multi-objective shape optimization with Fluent using parallel genetic algorithms. In: Fluent Forum, Bad Nauheim, Germany, 2006.

Janiga, G. and Thévenin, D.: Numerical optimisation of a laminar burner to reduce CO emis-sions. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.

Krause, N., Pap, E. and Thévenin, D.: Investigation of off-design conditions in a radial pump using time-resolved PIV. In: 13th International Symposium on Applications of Laser Tech-niques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 2006.

Krause, N., Pap, E. and Thévenin, D.: Influence of blade geometry on the rotating stall in a radial pump impeller. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International Con-ference on Fluid Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.

Leschka, S., Thévenin, D. and Zähringer, K.: Flow measurements around a static mixer using Laser-Doppler Anemometry, Particle Image Velocimetry and Laser-Induced Fluorescence. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.

Leschka, S., Thévenin, D. and Zähringer, K.: Fluid velocity measurements around a static mixer using laser-doppler anemometry and particle-image velocimetry. In: Conference on

29

Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Bu-dapest, Hungary, 2006.

Öncül, A., Niemann, B., Thévenin, D. and Sundmacher, K.: CDF model of a semi-batch reac-tor for the precipitation of nanoparticles in the droplets of a microemulsion. In: 16th Interna-tional Symposium on Computer-Aided Process Engineering ESCAPE16, DECHEMA, Gar-misch, Germany, 2006.

Shalaby, H., Janiga, G., Laverdant, A. and Thévenin, D.: Visualization of turbulent flames using Direct Numerical Simulation. In: 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, Germany, 2006.

Shalaby, H. and Thévenin, D.: Influence of the direction of propagation for an acoustic wave interacting with a turbulent premixed flame. In: GAMM Annual Meeting 2006, Section 9, (Mehrmann, V. and Paschereit, O.C., Eds.), Berlin, Germany, 2006.

Shalaby, H., Thévenin, D., Phong Bui, T., Schröder, W. and Meinke, M.: DNS/CAA analysis of the sound field radiated from a turbulent premixed flame. In: 13th International Congress on Sound and Vibration, (Eberhardsteiner, J., Mang, H.A. & Waubke, H., Eds.), Vienna, Aus-tria, 2006.

Thévenin, D.: Direkte numerische Simulation von Verbrennungsvorgängen. In: Grundlagen und moderne Anwendungen der Verbrennungstechnik, Universität Erlangen, 2006.

Thévenin, D.: Modelling internal reacting flows. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Invited presentation, Buda-pest, Hungary, 2006.

Wunderlich, B., Hagemeier, T., Thévenin, D. and Bordás, R.: LDV signals provide more in-formation than used before. In: Conference on Modelling Fluid Flow (the 13th International Conference on Fluid Flow Technologies), Budapest, Hungary, 2006.

Lehrstuhl Technische Thermodynamik Al-Karawi, J.; Schmidt, J.: Application of Infrared Thermography to the analysis of Welding processes. 7th International Conference on Quantitative Infrared Thermography, Belgium, July 5-8, 2004, H.9.1-H.9.6. Cortina Díaz, M.; Boye, H.; Hapke, I.; Schmidt, J.; Staate, Y.; Zhekov, Z.: Flow Boiling in Mini and Microchannels. 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels (ICMM2004), Rochester, New York USA, June 17-19, 2004, 445-452. Cortina Díaz, M.; Woche, H.; Schmidt, J.; Specht, E.: Measurement of Local Heat Transfer Coefficients of Developing Flows Using IR-Thermography. 7th International Conference on Quantitative Infrared Thermography, Belgium, July 5-8, 2004, D.6.1-D.6.6. Handtke, D.; Mednev, I.; Schmidt, J.: Convective Heat Transfer in Membrane Reactors. 4th European Thermal Science Conference, Birmingham U.K., March 29-31, 2004, 8 pages. Schmidt, J.; Popiolek, G.; Boye, H.; Könnig, M.: PDA-Measurements of Spray Characteris-tics in the Fuel direct Injection. 4th European Thermal Science Conference, Birmingham U.K., March 29-31, 2004, 10 pages.

30

Zhekov, Z.; Staate, Y.; Boye, H.; Schmidt, J.: Experimental Investigation on Boiling Regimes in Minichannels. 4th European Thermal Science Conference, Birmingham U.K., March 29-31, 2004, 10 pages. Nacheva, M.; Todorov, T.; Dontchev, D.; Schmidt, J.: Experimental and theoretical Investiga-tion of Spray cooling Heat Transfer on Macro and Micro level. International Symposium on Heat and Mass Transfer in Spray Systems, Antalya, Turkey 2005, CD-ROM, 10 pages. Popiolek, G.; Boye, H.; Schmidt, J.: Spray Wall Interaction in Fuel direct Injection. Interna-tional Symposium on Heat and Mass Transfer in Spray Systems, Antalya, Turkey 2005, CD-ROM, 10 pages. Cortina Díaz, M.; Schmidt, J.: Experimental Investigation of Transient Boiling Heat Transfer in Micorchannels. Engineering Conferences International, ECI. Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale. International Conference Castevecchio Pascoli, Italy 25-30 September 2005, 7 pages, CD-ROM. Cortina Díaz, M.; Hapke, I.; Schmidt, J.: Numerical study of the Influence of Wall Roughness on Heat Transfer in Microchannels. Microfluids and Transfer, Euromech Colloquium 472 Grenoble, France September 6-8, 2005, CD-ROM. Georgieva, K.; Schmidt, J.: Simulation study of the influence of the catalyst layer thickness in a catalytic membrane reactor. 7th International Conference on Catalysis in Membrane Reac-tors, Cetraro-CS, Italy, 11-14 September 2005, 209-212.

Lehrstuhl Thermodynamik und Verbrennung Nirmolo, A.; Woche, H.; Specht, E.: Mixing of Combustible Gases in a Cylindrical Chamber with Radial Injection of Air. Proceedings of 12th Int. Conference on Modelling Fluid Flow Technologies, 3. – 6. Sept. 2003 Budapest (Hungary) pp. 301-307. Giese, A.; Specht, E.: Einfluss der Gaszusammensetzung auf die Flammenlänge in Drehrohr-öfen. VDI Berichte Nr. 1750 (21. Deutsche Flammentag) (2003) 145-152. Bes. A.; Specht, E.: Lowering Energy Usage of Limestone Calcination in Shaft Kilns by Dy-namic Process Simulation. 2nd Int. Conference on Contemporary Problems of Thermal Engi-neering. Gliwice-Ustron. 21.-25. June 2004, Poland, 219-224. Krol, J.; Specht, E.; Puschmann, F.: Atomized Spray for Adjustment of Local Heat Transfer in Metal Quenching. Int. Symp. On Heat and Mass Transfer in Spray Systems. 5 – 10 June 2005, Antalya (Turkey) (ISBN 1-56700-223-4).

Brzoza, M.; Specht. E.; Ohland, J.; Belkessam, O.; Lübben, T.; Fritsching, U.: Minimizing Stress and Distortion for Shafts and Discs by Controlled Quenching in a Field of Nozzles. 1st Int. Conference on Distortion Engineering, 14. – 16. Sept. 2005, Bremen, Germany, 397-404 (ISBN 3-88722-653-4).

Krol, J.; Specht, E.: Influence of Quality of Water and Roughness of Surface on Quenching Rate. International Conference on Continuans Casting of Non-Ferrous Metals. 14. – 16. Nov. 2005 Neu-Ulm (Germany), 118-123.

Ulzama, S.; Specht, E.: Modeling the reaction mechanism of lumped porous coke particles during industrial processes. Indian Chemical Engineering Congress 14 - 17 December 2005, New Dehli.

31

Mitgliedschaften

Prof. Specht - Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau (FOGI) - Fachausschuss Wärmetechnik der Deutschen Keramischen Gesellschaft (DKG) - Ausschuss Thermoprozesstechnik des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute (VdEh) - Fachausschuss Hochtemperaturtechnik sowie Wärme- und Stoffübertragung der

Gesellschaft für Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC) - Fachausschuss Strangguss der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) - Wissenschaftlicher Rat der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigun-

gen (AiF) - Gutachter der AiF (Verfahrenstechnik und Energietechnik)

Prof. Schmidt - Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) - Fachausschuss Wärme- und Stoffübertragung (GVC) - Wissenschaftlicher Arbeitskreis Technische Thermodynamik (WATT)

Prof. Thévenin - European Research Community on Flow, Turbulence and Combustion (ERCOFTAC) - Combustion Institute

Dissertationen

• Hinke, J.

„Verifizierung der Bedingungen und Verhältnisse beim Dickstoffversatz unter Einbezie-hung der Mischtechnik“. Gutachter: Prof. Kecke, Prof. Thomas, Dr. Städtler (Kali+Salz AG). Verteidigung: 22. März 2005

• Jungemann, M. „1-D-Modellierung und Simulation des Durchflussverhaltens von Hydraulikkomponenten bei sehr hohen Drücken unter Beachtung der thermodynamischen Zustandsgrößen von Mineralöl“. Gutachter: Prof. Iben, Prof. Schmidt, Dr. Egler (Robert Bosch GmbH). Verteidigung: 18. Mai 2005

• Chmielowski, M. „Modellierung der unter- und oberseitigen Wärmeübertragung an plattenförmiges Gut in Rollenöfen“. Gutachter: Prof. Specht, Prof. Pötke (Uni Freiberg), r. Bitter (Aichelin GmbH Stuttgart). Verteidigung: 14. Januar 2005 • Liu, X. „Experimental and theoretical study of transverse solids motion in rotary kilns“ Gutachter: Prof. Specht, Prof. Walzel (Uni Dortmund), Dr. Mellmann (Leibnitz Institut

für Agrartechnik Potsdam). Verteidigung: 19. Mai 2005

32

• Deppe, D. „Mechanismus und Beeinflussung von Trockenausblühungen aus Kalziumsulfat bei der

Konvektionstrocknung von Ziegelrohlingen“. Gutachter: Prof. Specht, Prof. Tsotsas, Dr. Junge (Institut für Ziegelforschung Essen). Verteidigung: 14. Juli 2005 • Attalla, M. A. M. „Experimental Investigation of Heat Transfer Characteristics from Arrays of Free Im-

pinging Circular Jets and Hole Channels“. Gutachter: Prof. Specht, Prof. El-Moghazy (Aswan University Egypt). Verteidigung: 21. Dezember 2005 • Kühne, S.

„Einfluss von Turbulenzverstärkern auf den ein- und zweiphasigen Wärmeübergang im innenbeheizten Ringspalt“. Gutachter: J. Schmidt, D. Steinbrecht (Uni Rostock). Verteidigung: 15. Juli 2005

• Hapke, I. „Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Wärmeübergang in Mikrokanä-len“. Gutachter: J. Schmidt, L. Tobiska. Verteidigung: 03. November 2004

• Staate, Y. „Wärmeübergang beim Strömungssieden im Mikrokanal“. Gutachter: J. Schmidt, D. Steinbrecht (Uni Rostock), F. Seyfried (VW AG, Wolfsburg). Verteidigung: 13. Dezember 2004

33

Labore, Versuchsstände und gerätetechnische Ausstattung Neben einer umfangreichen rechentechnischen Ausstattung stehen Labore für die studenti-schen Praktika und die Forschung sowie größere Versuchsanlagen in zwei Versuchshallen zur Verfügung.

Neues Rechnerlabor der Strömungsmechanik

- Linux-PC-Cluster (16 Arbeitsplätze, 2 Server)

- Plotter (A0-Format), versch. Farbdrucker

- leistungsfähige Software: insbesondere Fluent und Gambit, TASCFLOW-CFX, PHOENICS, FEMLAB, Tecplot, CHEMKIN, Autocad...

- automatische Sicherung (1,2 TB) und internes Gigabit-Ethernet-Netzwerk

Server-Raum (oben) und Hauptraum (unten) für das Rechnerlabor der Strömungsmechanik

34

Rechnerlabor der Thermodynamik

- Compute-Server „isut1“ (Sun-Fire V 880, 8 Ultra Sparc III 750 MHz, 32 GByte) und File-

Server ”isut2” (Sun-Fire 280R, Ultra Sparc III 750 MHz, 512 MB, 436 GByte RAID-System)

- Computer-Server “mima” (HP ES45; CPU: 4x Alpha ES45 68; 1,256 Hz; Festplatte:

12x36GB; RAM: 4x4=16GB; SPECfp_rate 2000: 46; Fluent 5 Fl5L2 Rating: ca.183; Raid Kontroller Raid 0,1,5

- WINDOWS-Server “isut13” (Betriebssystem: Windows 2000 Server; CPU: 2x PШ

1,4GHz; RAM: 1GB; Festplatte:6x36GB; 2 Kanal Raid Kontroller) - Scanner (Format A4: 1x HP Scanjet 5470 C 2400 dpi; Format A3: 1x Mustek Paragon A3

SCSI) - 9 Terminals - diverse Druck- und Plottertechnik(bis Format A0) - leistungsfähige Software – u. a. FLUENT, ANSYS, TASCFLOW, TECPLOT, C++ sowie

eigenentwickelte Programmsysteme

Lufteindüsung in eine Nachbrennkammer Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder beim Laserstrahlschweißen (Marangonikonvektion mit variablen Temperaturkoeffizienten)

Machzahlverteilung im Sicherheitsventil

35

Rheologisches Labor Messmöglichkeiten: • Bestimmung rheologischer Eigenschaften durch Aufnahme der :

- Fließkurven τ = f( ), = 10γ& γ& -6....103 s-1 - Bestimmung der Fließgrenze, τmin = 7⋅10-3 Pa - Kriechversuche, τmin = 7⋅10-3 Pa bis τmax = 6⋅103 Pa - Oszillationstests, f = 10-3....20 Hz, γ = 0,001...100 - Normalspannungsmessungen

• Partikelgrössenbestimmung - Messbereich 0,1µm bis 1 mm • Bestimmung von Partikelgrösse und Zetapotential - Messbereich 10nm bis 1µm Gerätetechnik: Rheologische Parameter:

- Rheometer RheoStress RS100 (HAAKE Mess-Technik GmbK u. Co.)

- Rheometer PHYSICA UDS 200 (Physica Messtechnik GmbH)

- Rheometer Rotovisko RV20 (HAAKE Mess-Technik GmbK u. Co.)

Messkneter (ILKAVISC – Messkneter MKD 0.6-H60)

Partikelgrössenbestimmung:

- MasterSizer (Malvern Instruments Ltd.) (mittels Laserbeugung in Flüssigkeit und Luft)

- ZETASIZER (Malvern Instruments Ltd.) (Bestimmung von Partikelgrösse und –Zetapotential mittels Photonenkorrelationsspektroskopie - PCS)

Vicat-Nadel-Gerät für Verfestigungsuntersuchungen

Gerätetechnik zur Stoffaufbereitung:

- Kugelmühle - Siebung bis 5µm - Membranfiltration

36

Verbrennungslabor

Laser-Induced-Fluorescence (LIF), Raman und Rayleigh-Streuung, möglicherweise simultan mit Particle-Imaging-Velocimetry (PIV). Nd-Yag und Farbstoff-Laser, ICCD und CCD-Kameras, LaVision- und DANTEC-Datengewinnung.

Windkanal

Völlig rechnergesteuert, Göttinger Bauart, offener oder geschlossener Messabschnitt für Ein-phasen- (Luft) oder Zweiphasenströmungen (z.B. Luft/Wasser). Abmessungen des Messab-schnitts (HxBxL offen/geschlossen): 500x600x1100/1500 mm. Drei Scheiben des geschlos-senen Messabschnitts sind optisch durchsichtig (400/450x500 mm), auch für üblichen Laser-wellenlängen. Strömungsgeschwindigkeit: ~0.3 bis über 50 m/s, Turbulenzgrad: unter 0.5 %. Eigenschaften des Sprays: austauschbaren Einspritzungsköpfe, Gegenwärtiger Kopf: Sauter-Durchmesser einstellbar um 50 Micrometer, Volumenstrom 50 l/h. Erweiterungen sind mög-lich.

Windkanal mit offener Messstrecke

37

Strömungsmesstechnik-Labor

- Particle Image Velocimetry (PIV) Ganzfeld-Strömungsmessanlage für Einphasen- und Zweiphasenströmungen (PIV- und LIF-optische Messtechnik: gepulste Laser, Strahlteiler, Kreuzkorrelationskameras, Auswerte-Rechentechnik)

- Laser-Doppler-Velocimeter/Anemometer sowie Phasen-Doppler-Anenometer (LDV/LDA mit PDA-Erweiterung) (Argon-Ionen-Laser, 50 mW, 488 nm / Halbleiterlaser, 50 mW, 810 nm / Argon-Ionen-Laser, zweikanalig, 100 mW, 488 und 514,5 nm, Einsatz für Ein- und Zweiphasenströmungen)

-Shadowgrafie mit ausgeweitetem Laserstrahl als Lichtquelle und einer mit einem Mikroskop verbundenen Kamera - gestattet die Messung des äquivalenten Durchmessers kleiner Partikel von 5 Mik-rometer aufwärts. Für Verifizierungszwecke kann mit der LDV/PDA-Technik getriggert wer-den. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers lassen sich Geschwindigkeitsmessungen durch-führen.

-Stereo-Video-Technik (3-D-Aufnahmetechnik, virtuelle 3-D-Bilddarstellung vor dem Bildschirm zur Feldausmes-sung)

38

- Hitzdraht-Anemometer (zweikanaliges CTA-System, Ma: 0 ... 1 und tragbares CTA-System, w: 0 ... 30 m/s) Strömungsmechanisches Versuchsfeld / Strömungskanäle

- Rohrkanal-Prüfstrecke „Hochbehälter-Bassin“, DN 50 ... 100 (Induktive Durchflussmesstechnik / elektronische Differenzdruckmessung / computergestützte Messdatenerfassung)

- Kreislauf für Apparate- und Pumpenuntersuchungen, DN 100 ... 150 (regelbare Gleichstromantriebe / induktive Durchflussmesstechnik/elektronische Absolut- und Differenzdruck- und Temperaturmessung / regelbare Lufteinspeisung mit thermi-scher Durchflussmessung/computergestützte Messdatenerfassung)

- Prüfanlage für hydraulischen Transport und Dickstofftransport DN 25 / 32 / 50 / 65 / 100 - (Regelbare Kreisel- und Schneckenpumpen / Coriolis- und induktive Durchflussmesstechnik / elektronische Druckmesstechnik mit skalierbarem Messbereich / computergestützte Messdatenerfassung)

- Wirbelströmungsversuchsanlage für Luft (Strömungskanal mit aufgeprägter Zirkulation) - Anlage zur Demonstration verschiedener Durchflussmesstechniken

(Blende, Prandtl-Rohr, Wirbelstrom, Kammerzähler) - Anlagen zur Strömungsvisualisierung (elektrolytischer Trog, Rauchkanal)

- Rohrkanalprüfstrecke, offen, DN ... 50 Offener Strömungskreislauf und offener Strömungskanal für Einphasen- (Wasser) und Zweiphasenströmungen (Wasser / Luft), Zuströmung ... DN 50 (induktive bzw. thermische Volumenstrommessung, regelbare Gleichstromantriebe / in-duktive Durchflussmesstechnik / elektronische Absolut- und Differenzdruck- und Tempe-raturmessung / regelbare Lufteinspeisung mit thermischer Durchflussmessung / compu-tergestützte Messdatenerfassung)

- Schneckenpumpenförderanlage, DN ... 15 (Drehzahlregelbare Schraubenspindelpumpe, Druckmesstechnik)

- Anlage für Pumpen- und Rohrstrecken-, Rohreinbautenuntersuchungen (regelbare Kreiselpumpe / Durchflussmesstechnik mittels Schaufelrad-Hall-Sensorik / Druck- und Differenzdruckmesstechnik)

39

PIV-Labor

Messmöglichkeiten:

- Ganzfeld-Strömungsausmessung für Ein- und Zweiphasenströmung mittels (PIV und LIV)

- Strömungskreislauf, offen (hier mit Pumpenversuchsstand)

z Videokam era

Transparen te Pum pe

Traversiereinrichtung

Traversiereinrich tung

LASER

InduktivesDurchflußm eßgereät

W asserbecken

Hilfspum peSaugleitung

Druckleitung

Druckm eß-stellen

Lichtschnitt-Optik

z

Gerätetechnik:

- PIV- und LIV-Messtechnik (optische Messtechnik: gepulste Laser, Strahlteiler, Kreuzkorrelationskameras, Auswerte- und Rechentechnik)

Aufbau des Pumpenversuchsstandes zur Lichtschnitttomographie

CCD-Kamera

Traversierung für CCD-Kamera

z

Transparente Pumpe

zur TragscheibeplanparalleleGehäusewand

y

Laserlichtschnitt

Traversierung für den Laserlichtschnitt

x

Lichtschnittoptik

Zulauf

Beispiel: Experimentell ermitteltes Geschwindigkeitsfeld in der Versuchspumpe

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

120

100

80

60

40

40

Thermoanalytisches Labor

Messmöglichkeiten:

- spezifische Wärmekapazität cp (T) - Umwandlungsenthalpien - Dichte ρ (T) - thermischer Ausdehnungskoeffizient β (T) - Temperaturleitkoeffizient a (T) - Wärmeleitkoeffizient λ (T)

bis 1600 °C u. a. für

- Metalle (auch flüssig) - Keramiken - Isolierstoffe

Gerätetechnik:

• Dynamisches Differenzkalorimeter Netzsch DSC 404 C Pegasus (20 °C – 1650 °C, Messfehler < 5 %, Messung in verschiedenen Atmosphären)

• Dilatometer Netzsch DIL 402 C (20 °C – 1700 °C, Messfehler < 3 %)

• Laser-Flash-Anlage Netzsch LFA 427 (20 °C – 1600 °C, Messfehler ± 3 %, 0,001 < a < 10 cm2/s)

• Thermoanalysator SETARAM TG92 Simultane, kalorische und thermogravimetrische Messungen, DTA/DSC und TG in

Kopplung mit einem Massenspektrometer (Thermolab 1210),

Temperaturbereich –100 °C – 1600 °C.

• Hot-Disk-Anlage Bestimmung der Wärmeleitfähigket fester und flüssiger Stoffe

Messbereich: 0,01 – 500 )Km/(W ⋅

Temperaturbereich: RT bis 230 °C (Kapton-Sensor), RT bis 750 °C (Mica-Sensor)

Lindemann, A.; Schmidt, J.; Todte M.; Zeuner, T.: Thermal analytical investigations of the magnesium alloys AM 60 an AZ 91 including the melting range. Thermochimica Acta 382 (2002), S. 269-275.

41

Thermografielabor

• Hochauflösende Infrarot-Thermografie-Systeme THV 900 und Therma CAM SC 3000 mit verschie- denen Optiken und Vorsatzlinsen sowie folgenden Leistungsparametern

- Temperaturbereich von –30 °C bis 2000 °C - örtliche Auflösung bis 0,2 mm pro Pixel - Bildfrequenz 30 Hz

- Schneller Linescan (ca. 2500 Linien/Sekunde) - 5°- und 20°-Optik jeweils mit Close-up-Linse - Auswertesoftware AGEMATM Research

• Schwarzkörper – Kalibrierstrahler M335 (Mikron)

- Temperaturbereich von 300 bis 1500 °C - Hohlraumdurchmesser 17 mm - Hohlraumtiefe 150 mm

• Sika-Hochtemperaturkalibrator TP28850

- Temperaturbereich: Umgebungstemperatur bis 850 °C - Blockbohrung 18 mm, Tiefe 100 mm - verschiedene Übergangshülsen

Walzgutkühlung Das Thermografiesystem wird in vielen Forschungsprojekten, insbesondere auch zur Bestim-mung von Wärmeübergangskoeffizienten eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei vom Niedertemperatur- bis in den Hochtemperaturbereich.

Vergleich von sanierter und unsanierter Fassade Erwärmung eines Schwimmers

Gießpfanne Schmelzbad beim Schweißen

42

Thermodynamik-Labor

Das Thermodynamiklabor dient insbesondere auch dem studentischen Praktikum. Folgende Demonstrations- und Versuchsanlagen stehen zur Verfügung:

• Stirling-Motor und Kältemaschine (Leybold) • Kaltdampfprozeß mit PC-Datenerfassung (GUNT) • Dampfdruckbestimmungsapparatur und

Drosselkalorimeter (Armfield)

• Kalibrierung von Druckmessgeräten (GUNT) • Demonstrationseinheit

- Strömungssieden - Behältersieden mit PC-Datenerfassung (GUNT)

• Demonstrationseinheit Klimatisierung/Zustandsän- derungen feuchter Luft (Hilton)

Wärmetechnisches Labor

• Hochtemperaturöfen

- Rohrofen CARBOLITE bis 1600 °C

- Rohrofen CARBOLITE bis 1200 °C

- Muffelofen Nabertherm bis 1700 °C

• Gasanalysetechnik

• Feuchtigkeitsbestimmer Sartorius

• Versuchsstand zum Wärmeübergang in Rollenöfen

43

PDA-Labor

Messmöglichkeiten

• Geschwindigkeitsverteilungen (1 m/s bis ± 150 m/s) • Tropfen- bzw. Blasengrößenverteilungen ( m500m1 μ−μ , „Dynamikbereich“ 1:50) • Lokale Massenstomdichten (mittels Patternator) • Düsenuntersuchungen in einer Sprühkammer • zeitaufgelöste Einzeleinspritzungen (Drücke bis 200 bar) • unterschiedliche Stoffsysteme, u. a. Wasser, Benzin, n-Heptan

Gerätesysteme

• 2D-Faseroptisches-Phasen-Doppler-Anemometer (Aerometrics)

- Wellenlängen λ1 = 514,5 nm und λ2 = 488 nm - Brennweiten 1000 mm, 500 mm, 250 mm - PC-Pentium/NT 4.0 - Data VIEW-NT

• Argon-Ionen-Laser mit 4 Watt Leistung (Firma Lexel) • x-y-z-Traversiereinrichtung (Firma Isel) mit 800 mm, 2000 mm und 2000 mm Traver-

siermöglichkeit • Tropfengeneratoren • Hitzdrahtanemometer (Dantec)

• Coherent CoronaTM Laser System

- Diodengepumpter, acousto-optic Q-Swiched Nd-YAG Hochleitstungslaser

- Ausgangswellenlänge: 532 um - Taktfrequenz: 5 – 25 kHz - Pulsweite bei 10 kHz: 160 usec - Pulsenergie bei 10 kHz: 7,5 mJ - Mittlere Leistung bei 10 kHz: 75 W

Strahlcharakteristik einer Flachstrahldüse

44

Versuchsanlagen im Technikum • Wärmeübergang im Intensivkühlrohr (Ringspalt)

Die Versuchsanlage ist in ihren wesentlichen Elementen auf den industriellen Kühlprozess von Walzdraht in Intensivkühlrohren unter Verwendung von Tubulenzbuchsen ausgerich-tet. Sie gestattet eine Variation der Systemparameter in den folgenden Bereichen

- Wärmestromdichte 2/10...01,0 mMWq =&

- Massenstomdichte )/(12000...400 2smkgm =&- Druck barp 10...1=- Kühlwassertemperatur C80...20ein,KW °=ϑ

und verfügt über eine rechnergestützte Messwerterfassung und –auswertung.

• Düsenkammer

- Versorgungsanschlüsse für Ein- und Zweistoffdüsen - Wasservorheizung - Messwerterfassung - Hochleistungsstromquellen für Wärmeübergangsmessungen • Kompaktwärmeübertrager – Versuchsstand

Messung von Druckverlusten und Betriebscharakteristiken für rekuperativ betriebene Kompaktwärmeübertrager bei ein- und zweiphasigem Betrieb

• Kapillarrohrverdampfer

Wärmeübergangsmessungen bei unterschiedlichen charakteristischen Längen (Durchmes-ser 0,5 – 3,0 mm), verschiedene Stoffsysteme; Volumenstrom und Heizleistung entspre-chen dem Mikrokanalverdampfer

• Mikrokanalverdampfer

- Volumenstrom: 2,5 - 250 ml/min bzw.

30 - 3000 ml/min - realisierbare Druckerhöhung: max. 6 bar - Heizleistung: max. 6 kW - Vorlauftemperatur: max. 95 °C - Wandtemperatur: max. ca. 500 °C

• Messplatz für Benzin-Einspritzdüsen - Variation von Düsenhalterung und - Einbauwinkel Messplatz für Benzindirekteinspritzung - Raildruck von 5 bar bis 150 bar - Einzelschussauslösung und

- Düsensteuerung mit Triggersignal

45

Technikum Drehrohröfen Direkt beheizte Drehrohröfen

Innendurchmesser:

250 mm

400 mm

Länge: 6 m 4 m Feststoffdurchsatz: < 50 kg/h < 150 kg/h Leistung: 20 – 70 kW 20 – 70 kW Produkttemperatur: bis 1000 °C bis 1200 °C Drehzahl: 0 – 3 min-1 0 – 6 min-1 Neigungswinkel: -1° - 2° -1° - 2°

Bei allen Drehrohröfen werden die Temperaturen im Bett, in der Wand und im Gas radial und axial kontinuierlich gemessen. Dazu ragen an verschiedenen Längen Thermoelemente unter-schiedlich tief in das Drehrohr. Durch eine spezielle Messtechnik können die Messdaten kon-tinuierlich aufgezeichnet werden. Mit einer axial in das Drehrohr ragenden Sonde können die Konzentrationen im Gas gemessen werden. Bei allen Drehrohröfen ist Gleichstrom-, Gegenstrom- und Batchbetrieb möglich. An Drehrohrsegmenten mit einer Glassscheibe an der Stirn wird das Bewegungsverhalten verschiedenster Materialien untersucht.

46

Serviceangebote • Experimentelle Bestimmung und numerische Berechnung von Um- und Durchströmungs-

feldern in ruhenden und rotierenden Systemen bei Ein- und Zweiphasenströmungen • Druckverlust- bzw. Durchflußbestimmung, Kennwertermittlung für Durchströmungsele-

mente • Rheologische Untersuchungen, Fließverhaltensbestimmung von Flüssigkeiten, Suspensio-

nen und nicht Newtonschen Fluiden • Untersuchungen zur Parameterbestimmung für hydraulische Transportanlagen • Numerische Strömungs- und Temperaturfeldberechnungen, Analyse und Bewertung von

Wärmetransportvorgängen • Infrarotthermografische Untersuchungen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung • Untersuchung von Intensivkühlprozessen und Kühlstreckenauslegung • Messung der Betriebscharakteristik von Klein- und Mikro-Wärmeübertragern bei ein- und

zweiphasigem Betrieb • Durchführung von Thermoanalysen (simultane thermogravimetrische und kalorische Mes-

sungen, TG, DTA, DSC, LFA) bis 1600 °C und Bestimmungen von )T(ß,a,c,,ρλ • Messung von Geschwindigkeitsverteilungen sowie Partikelgrößen- und –dichtever-

teilungen mittels faseroptischer Lasersysteme (2 Komponenten LDA und PDA) • Düsenuntersuchungen (Sprühstrahlcharakteristiken und Wärmeübergang, insbesondere an

hoch erhitzten Oberflächen) sowie Ermittlung von Sprühstrahl-Wand-Wechselwirkungen • Berechnung der Spannungen, der Gefügezusammensetzung und der Formänderung bei der

Kühlung von Metallen • 3D-Simulation des Strömungs- und Temperaturfeldes mit CFD-Programmsystemen für

Ofenräume und Brennkammern • Numerische und experimentelle Prozesssimulation in Schacht-, Drehrohr- und Rollenöfen

47

Lageplan

10:

Lehr

stuh

l Tec

hnis

che

Ther

mod

ynam

ik

Le

hrst

uhl T

herm

odyn

amik

und

V

erbr

ennu

ng

14:

Lehr

stuh

l Strö

mun

gsm

echa

nik

un

d St

röm

ungs

tech

nik

48