Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, BayreuthDie Klimaschutzziele der EU und die Verteuerung von Energie erfordern nachhaltigere Wärmebehandlungsprozesse sowie neue bzw. modifizierte Industrieöfen. Das Fraunhofer-Zentrum HTL bietet dazu seine Expertise an und führt auf Kundenwunsch die Planung und Projektierung von energieeffizienten Thermoprozessanlagen durch. Dies umfasst alle Phasen der Projektrealisierung von der Konzepterstellung über umwelt- und sicherheitstechnische Planungen zu Stoff- und Energiestromanalysen, dem Basic- bzw. Detailed Engineering, Aufstellungsplänen, Visualisierung bis hin zu Lastenheften und der Angebotsprüfung. Auch bei der Anlagen- und Prozessüberwachung sowie der Integration der Öfen in den Produktionsablauf kann das HTL durch Softwareauswahl, Schnittstellenprogrammierung und Sensorik unterstützen. Kleinere Sonderanlagen können vom HTL gebaut werden (Anlagenbau). Zwei wesentliche Erfolgsfaktoren bei der Realisierung nachhaltiger Thermoprozesse sind das Wärmemanagement und die Anlagenregelung. Für beide stehen besondere Kompetenzen am HTL zur Verfügung.
Anwendungen:
Thermoprozesstechnik
Thermoprozessanlagen
Die Erzeugung der Wärme durch Brenner oder elektrische Heizer und ihre Übertragung durch Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung werden am HTL vorab simuliert. Der für das Erwärmungsgut optimale zeitabhängige Wärmeeintrag wird anhand von In-situ-Messungen in Laboröfen und speziellen Computersimulationen ermittelt (Prozessoptimierung). Das HTL wählt die benötigten Ofenmaterialien und Brennhilfsmittel unter Kosten- und Effizienzaspekten mit systematischen Methoden aus (Materialauswahl). Auf Basis der Materialdaten wird ein digitaler Ofenzwilling erstellt, der die Wechselwirkung zwischen Erwärmungsgut und Ofen berücksichtigt. Auf diese Weise werden Prozessparameter und Ofenauslegung wechselseitig optimiert. Einerseits wird so die Energieeffizienz optimiert, andererseits können Ausschussquoten minimiert werden. Aus der Energiestromanalyse werden Konzepte für die Wärmerückgewinnung erarbeitet.
Der am HTL entwickelte digitale Ofenzwilling kann auch genutzt werden, um Regelungskonzepte zunächst virtuell zu entwickeln und zu testen. Die Messgrößen aus verschiedener Sensoren werden gemeinsam genutzt, um die Heizer und andere Stellgrößen für den Ofenbetrieb zu steuern. Die Interaktion wird am Computer simuliert, wozu auch KI-Algorithmen eingesetzt werden. Die Regelungskonzepte können für eine schwankende Energieverfügbarkeit und einen flexible Durchsatz ausgelegt werden. Für den realen Ofenbetrieb werden Sensoren zur Messung der Temperaturen und Gaszusammensetzung vorgeschlagen. Bei Bedarf stehen auch weitere am HTL entwickelte Sensoren zur Messung von Wärmestrahlung und Gasfluss zur Verfügung. Zusätzlich kann die Leistungsfähigkeit der Öfen vor Ort analysiert werden (Industrieofenanalyse). Die Software zur Ofenregelung wird kompatibel zu verschiedenen industrieüblichen Standards (OPC-UA, EtherCAT, Modbus etc.) entwickelt. In Absprache mit dem Kunden werden individuelle, kundenspezifische Lösungen erarbeitet. Alle notwendigen Einstellungen werden für entsprechend geschultes Fachpersonal auf unterschiedlichen Benutzerebenen zur Verfügung gestellt. Somit sind Anpassungen und Optimierungen der Prozesse durch den Kunden jederzeit möglich. Für die Prozessoptimierung durch den Betreiber des Ofens werden vom HTL zusätzlich materialspezifische Apps angeboten.
Leistungsangebot:
- Unterstützung in der Projektierung von Thermoprozessanlagen
- Energie- und Stoffstromanalysen bestehender und neukonzeptionierter Anlagen
- Auslegung von Anlagenkomponenten
- Analyse und Simulation bestehender Anlagenkomponenten
- Optimierung von Thermoprozessanlagen hinsichtlich Effizienz und Qualität
- Sicherheitsbetrachtung und Dokumentation der CE-Konformität unter Anwendung der Norm EN ISO 12100 und harmonisierten Normen für Neu und Bestandsanlagen
- Konformitätserklärung nach DIN ISO 1750-1 für Produkte, Prozesse und Anlagen
- Einbinden in bestehende SCADA- oder Prozessleitsysteme durch Verwendung gängiger Kommunikationsprotokolle und -Schnittstellen (OPC-UA, Modbus, EtherCAT etc.)
- Messdatenerfassung, Überwachung und Protokollierung auch ohne übergeordnetes System möglich (Stand-Alone)