Modellbasierte Regelung eines Voralterungsofens unter instationären

Bedingungen

2. Aachener Ofenbau- und Thermoprozess-Kolloquium

10. - 11. Oktober 2019 in Aachen

Dipl.-Ing. Simon Künne

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� Motivation / /Einführung

� Methoden

� Ergebnisse

Inhalt

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Schematische Darstellung Bandbehandlung

4

Voralterungsofen in der Werksmontage

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Anlage & Prozess

6

� Motivation / /Einführung

� Methoden

� Ergebnisse

Inhalt

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� Ein Modell ist ein vereinfachtes Abbild der Wirklichkeit

� Es werden nur die wichtig erscheinenden Teile abgebildet

� Zusammenhänge werden vereinfacht

� Detailgrad je nach Anforderung – genau genug aber nicht zu aufwändig

� Ein Modell ist nur unter bestimmten Randbedingungen gültig

� Modelle sind bestenfalls gültig aber niemals wahr

Grundlagen Modellierung

Quellen von links nach rechts: Photo by CEphoto, Uwe Aranas; Google Maps; Wikipedia

Foto des Aachener Doms 3D-Modell Schematische Zeichnung

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Deshalb: Messungen durchführen und Modelle validieren

Ein Modell ist nur so gut wie seine Daten

9

Konventionelle Regelung wird Anforderungen nicht gerecht

Modellbasierte Regelung

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� Numerisches Verfahren zur Lösung von Erhaltungsgleichungen

� 1) Erzeugen eines Gitters

� 2) Aufstellen der integralenErhaltungsgleichungen

� 3) Numerische Integration

� 4) Approximation derFunktionswerte

� 5) Lösung des Gleichungssystems

Finite Volumen Methode

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� Jeder Prozess in einem Industrieofen lässt sich auf diese Weise abbilden

� Volumen werden überRandbedingungenverknüpft

� Konvektion

� Wärmeleitung

� Strahlung

� Enthalpieströme

� Quellterme

� Energiebilanz

Baukastensystem als Software

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12

� Enthalpie

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� Innere Energie

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� Enthalpiestrom

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Übersicht Enthalpieströme

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� Vereint eine komplexe Theorie in einer einzigen Zahl

� geometrische Randbedingungen

� Strömungsfeld

� Temperaturfeld

� Ähnlichkeitstheorie: Einführung dimensionsloser Kennzahlen

� Nußelt-Zahl: Beschreibung desWärmeübergangs.

� Reynolds-Zahl: Verhältnis vonTrägheits- zu Reibungskräften

� Prandtl-Zahl: Materialeigenschaft,Verhältnis von Strömungsgrenzschichtzu Temperaturgrenzschicht

Wärmeübergangskoeffizient

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14

� Für ein konkretes System kann die Gleichungder Nußelt-Zahl umgestellt und für zwei Betriebs-punkte gleichgesetzt werden

� Die Nußelt-Zahl ist abhängig von:

� Geschwindigkeitsfeld

� Temperaturfeld

� Geometrie

� Empirischer Ansatz:

Wärmeübergangskoeffizient

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15

� Ausgehend von einem Referenzpunkt kann der konvektive Wärmeübergang aktuell berechnet werden

� Damit kann das Temperaturprofil des Bandes für beliebige Betriebspunkte der Anlage berechnet werden

� Haupteinflussgrößen in den Anlagenteilen sind� Ventilatordrehzahl / Fluidgeschwindigkeit (im Prozess)

� Temperatur (im Rezept)

� Zusammensetzung des Fluids (Luft / Schutzgas)

Wärmeübergangskoeffizient

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� Brenner

� Feuerungstechnischer Wirkungsgrad 3 � 3 4, 678

� Durchmischung der Edukte

� Ventilatoren

� Fluidleistung vollständig zu Wärme

� Bei konstantem Volumenstrom auch konstante Fluidgeschwindigkeit

� Bei konstanter Drehzahl ist 9:;<=> nur von der Temperatur abhängig

Übersicht Quellterme

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Das Modell des Voralterungsofens

18

� Motivation / /Einführung

� Methoden

� Ergebnisse

Inhalt

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Rechencluster

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Prozesstemperaturen beim Coilwechsel

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Bandtemperatur an verschiedenen Positionen

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Brennerleistung und Frischluft

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Bandtemperatur im Ofen zu verschiedenen Zeitpunkten

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Austrittstemperatur entlang der Bandlänge

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� Kontinuierliche Qualitätskontrolle durch virtuellen Sensor

� Temperaturprofil des gesamten Bandes bekannt und zu weiteren Verarbeitung in geeigneter Form verfügbar („Industrie 4.0 ready“)

� Im Rahmen der Vernetzung (Industrie 4.0) kann die modellbasierte Regelung im Vorhinein auf Geschwindigkeitsänderungen reagieren.

� Temperatur kann unter Ausnutzung der Freiheit bei der Wahl der Ventilatordrehzahl angepasst werden.

� Temperatur reagiert nur träge, Ventilatoren lassen sich schnell ansteuern.

� Verteilung der Frischluft und Regelverhalten noch zu optimieren

Fazit & Ausblick

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