Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Das Fraunhofer-Zentrum HTL bietet eine Vielzahl von Messmethoden an, um industrielle Ofenanlagen vor Ort zu analysieren. Die Methoden eignen sich zum Beispiel für die Analyse von Schubplattenöfen, Tunnelöfen, Bandöfen, Rollenöfen, Ringöfen oder Kammeröfen. Ziele sind einerseits die Erfassung der Energiebilanz und anderseits die Erfassung von Temperatur- und Atmosphärenverteilung im Ofen. Die Erfassung der Energiebilanz dient zur Verbesserung der Energieeffizienz, die Erfassung der Temperatur-und Atmosphärenverteilung zur Verbesserung der Produktqualität.
Verbesserung der Energieeffizienz
Die Messmöglichkeiten zur Energiebilanzierung reichen von einer einfachen thermografischen Abbildung des Ofens bis zur kompletten energetischen Erfassung des Systems. Zur Thermografie werden Infrarot-Kameras verwendet, welche die Temperatur an der Außenhülle des Ofens messen. Zusätzlich können damit die Wärmeverluste am Brenngut und den Brennhilfsmitteln erfasst werden. Darüber hinaus wird an charakteristischen Stellen die Energieabgabe an die Umgebung bestimmt. Der Energieverbrauch bzw. die Leistungsaufnahme von elektrischen Verbrauchern wie Lüftern, Pumpen oder Heizungen können berührungsfrei erfasst werden. Zusätzlich werden Volumenstrom und Temperatur der Ofenabgase gemessen. Durch Ultraschall-Messtechnik kann der Energiestrom im Kühlwasser untersucht werden. Dazu werden die Strömung in den Rohren sowie die Temperatur vor und nach der Ofenstrecke ermittelt und der Energiestrom berechnet, ohne dass die Rohre geöffnet werden müssen.
Verbesserung der Produktqualität
Die Qualität der Wärmebehandlung hängt stark von der Temperaturverteilung und der Atmosphäre im Inneren des Ofens ab und zeigt erfahrungsgemäß oft ein großes Potential zur Verbesserung der Produkteigenschaften. Zur Messung der Temperaturverteilung im Ofen werden speziell entwickelte und kalibrierte Temperaturmess-Ringe verwendet. Die Messung der Ofenatmosphäre und der Strömungsgeschwindigkeit im Ofeninneren wird durch Hochtemperaturmessköpfe und Gasentnahmelanzen ermöglicht. Zusätzlichen können Prozessparameter mittels Hochtemperatur-Sensorboxen direkt und kabellos aus dem Prozess gewonnen werden. Die Messung aus dem Brennraum kann bei Batch- oder kontinuierlichen Öfen, bei passender Größe und Temperatur angewandt werden und umfasst Parameter wie Temperatur, Druck oder atmosphärische Strömungen. In Inertgasöfen werden elektrochemische Sensoren in der Ofenabluft eingesetzt. Bei Trocknungsprozessen kann eine kabelgebundene Hochtemperatur-Waage durch Übertragung des Gewichts sowie der Strömungen, Temperatur und Luftfeuchte wertvolle Informationen über den Fortschritt der Trocknung liefern.
Optimierungsmöglichkeiten für Industrieöfen
Mit diesen Methoden ist es uns möglich, einfache Optimierungsmöglichkeiten an Industrieöfen zu identifizieren, zum Beispiel werden durch Analyse der Infrarotaufnahmen und des Wärmeflusses thermische Lecks und Alterungen der Isolation detektiert. Unter Zuhilfenahme von Computersimulationsmethoden kann auch eine detaillierte Potentialanalyse des Ofens am HTL angeboten werden (vgl. Ofenanalyse). Dazu werden die Abmessungen des Ofens aufgezeichnet und durch vorliegende Konstruktionszeichnungen komplettiert. Die Hochtemperatureigenschaften der wichtigsten Ofenmaterialien werden, soweit nicht bekannt, eigens am HTL vermessen. Dann wird die Wärmebehandlung in einem vereinfachten FE-Modell des Ofens simuliert und anhand der Messwerte validiert. Verbesserungsmöglichkeiten im Hinblick auf die erreichbare Energieeffizienz und Produktqualität können dann durch weitere Simulationen bewertet werden. Dadurch entfallen zeit- und kostenintensive Experimente, welche gerade in der Produktion schwer durchzuführen sind.