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Aufheizen eines Werkstücks in einem Glühofen

Studienarbeit 2018 19 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

I. Abkürzungsverzeichnis

II. Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen
2.1. Einführung Thermodynamik
2.2. Thermodynamische Systeme

3. Simulation des Aufheizens eines Werkstückes in einem Glühofen
3.1. Aufstellen der Differenzialgleichung
3.2. Aufbau des Blockschaltbildes
3.3. Simulation der Werkstücktemperatur
3.4.1. Veränderung der Werkstückoberfläche
3.4.2. Veränderung der spezifischen Wärmekapazität

4. Schlussfolgerung der Simulationsergebnisse

Literaturverzeichnis

I. Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

II. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Systemarten der Thermodynamik (vgl. Baumgartner, 2016)

Abbildung 2: Aufheizen eines Werkstückes im Glühofen (Scherf, 2010, S. 85)

Abbildung 3: Freigeschnittenes Werkstück

Abbildung 4: Blockschaltbild in MATLAB Simulink®

Abbildung 5: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit

Abbildung 6: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit A1 = 0,223 m

Abbildung 7: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit A2 = 0,423 m

Abbildung 8: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit c1 = 0,382 kJ / (kg K) und A0 = 0,323 m

Abbildung 9: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit c1 = 0,382 kJ / (kg K) und A1 = 0,223 m

Abbildung 10: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit c1 = 0,382 kJ / (kg K) und A3 = 0,423 m

Abbildung 11: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit c2 = 0,896 kJ / (kg K) und A0 = 0,323 m

Abbildung 12: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit c2 = 0,896 kJ / (kg K) und A1 = 0,223 m

Abbildung 13: Werkstücktemperatur als Funktion der Zeit mit c2 = 0,896 kJ / (kg K) und A3 = 0,423 m

Abbildung 14: Aufheizzeit des Werkstücks in Abhängigkeit der Werkstückoberfläche

1. Einleitung

In der sogenannten klassischen Physik werden die Teilbereiche Mechanik, Akustik, Optik und Wärmelehre unterschieden. In diesen Teilbereichen sind oftmals Beobachtungen bereits mit menschlichen Sinnen möglich. Die klassische Physik wurde ab dem 17. bis zum 19. Jahrhundert von Isaac Newton stark geprägt. Im 20. Jahrhundert wurde die sogenannte moderne Physik durch die Arbeiten von Albert Einstein (Relativitätstheorie), Erwin Schrödinger und Werne Heisenberg (Quantentheorie) begründet. Mit ihren wissenschaftlichen Arbeiten haben sowohl Newton als auch Einstein die jeweils vorherrschenden Weltbilder maßgeblich beeinflusst (vgl. Grotz, 2018, S. 1).

1.1. Zielsetzung

Die Wärmelehre, genauer die thermodynamischen Systeme bilden den Rahmen dieses Assignments. Ziel dieser Arbeit ist es, das Aufheizen eines Werkstücks in einem Glühofen zu simulieren. Im Rahmen dieser Simulation wird auf die Ergebnisse und Prämissen von Scherf aus seinem Buch „Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme“ zurückgegriffen. Hierbei erfolgt keine eigene Herleitung, vielmehr wird sie von Scherf direkt übernommen. Es gilt die Differenzialgleichungen aufzustellen sowie das zugehörige Blockschaltbild in MATLAB-Simulink® abzubilden. Mittels dieses Blockschaltbildes gilt es dann, zwei der sechs fest definierten Parameterwerte innerhalb realistischer Wertebereiche zu variieren und für die verschiedenen Wertekombinationen Simulationen durchzuführen, diese grafisch darzustellen sowie jeweils die Temperaturveränderung im Werkstück mit der Zeit zu untersuchen. Anhand dieser Ergebnisse lassen sich Schlussfolgerungen für das möglichst schnelle bzw. für das möglichst langsame Aufheizen ziehen, welche es abschließend zu diskutieren gilt.

1.2. Aufbau der Arbeit

Nach dem einleitenden Kapitel 1 folgt in Kapitel 2 eine Annäherung an das Thema Thermodynamik sowie die thermodynamischen Systeme. Im dritten Kapitel werden die Differenzialgleichungen für den Aufheizvorgang sowie das Blockschaltbild dargestellt. Zum Ende des dritten Kapitels erfolgt die eigentliche Simulation mit der Variation der beiden ausgewählten Parameter. Im abschließenden vierten Kapitel werden die Ergebnisse der Simulation dargestellt und bewertet.

2. Grundlagen

2.1. Einführung Thermodynamik

„Die Energie in ihren verschiedenen ineinander umwandelbaren Erscheinungsformen stellt ein verknüpfendes Band zwischen allen in der Natur wie auch in der Technik ablaufenden Vorgängen dar.“ (Ahrendts & Kabelac, 2014, S. 1). Darüber hinaus bildet Energie die Existenzgrundlage jeder Zivilisation. Zu den wichtigsten Aufgaben einer modernen Gesellschaft gehören die Sicherstellung der Energieversorgung und die Erschließung neuer Energiequellen (vgl. Geller, 2015, S. 1).

Das Hauptaufgabengebiet der Thermodynamik ist die Untersuchung und Beschreibung der Energieumwandlungsprozesse. Die Thermodynamik analysiert die verschiedenen Erscheinungsformen der Energie und beschreibt deren Verknüpfungen in Energiebilanzgleichungen (vgl. Geller, 2015, S. 1).

Der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bilden ihr Fundament. Der erste Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie ist nur in ihren verschiedenen Erscheinungsformen wandelbar. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik formuliert die Grenzen der Energiewandlung und beschreibt welche Wandlungsprozesse überhaupt möglich sind (vgl. Geller, 2015, S. 1).

2.2. Thermodynamische Systeme

Als System wird jener Bereich einer Maschine oder Anlage bezeichnet, der Gegenstand einer thermodynamischen Untersuchung sein soll. Dieser wird durch die Systemgrenze von der Umgebung abgegrenzt, die außerhalb des Systems liegt (vgl. Doering, Schedwill, & Dehli, 2016, S. 3). Die Systemgrenze kann für Materie oder Energie in ihren verschiedenen Erscheinungsformen durchlässig als auch undurchlässig sein (siehe Abb. 1) (vgl. Geller, 2015, S.6).

Bei einem geschlossenen System sind die Grenzen materieundurchlässig. Mit der Umgebung findet ein Massenaustausch nicht statt, dadurch besteht ein geschlossenes System immer aus denselben Materialteilchen. Eine Wechselwirkung mit der Umgebung ist nur durch einen Energieaustausch möglich. Offene Systeme zeichnen sich dagegen durch Materiedurchlässigkeit ihrer Grenzen aus. Über die Systemgrenze kann Energie in Form von Wärme, mechanischer Energie und chemisch gebundener Energie, enthalten in Stoffströmen, transferiert werden. Bei einem abgeschlossenen System sind die Systemgrenzen sowohl materie- als auch energieundurchlässig, das bedeutet, dass jede Wechselwirkung zwischen Systemumgebung und dem System unterbleibt. Daraus resultiert, dass die Summe von Energie und Masse des Systems konstant bleibt. In der Technik spielen Systeme dieser Art keine Rolle (vgl. Geller, 2015, S. 7ff.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Systemarten der Thermodynamik (vgl. Baumgartner, 2016)

Thermodynamische Systeme weisen Eigenschaften auf, die keine konstanten Größen, sondern Variable sind. Diese ändern sich, wenn das System in Wechselwirkung mit anderen Systemen oder seiner Umgebung tritt. Als Zustand eines Systems wird eine Situation bezeichnet, in der alle Variablen des Systems feste Zahlenwerte angenommen haben. Deshalb werden die Variablen auch Zustandsgrößen genannt. Deren Anzahl, die zur eindeutigen Festlegung des Zustandes erforderlich sind, ist von der inneren Struktur und der Komplexität des Systems abhängig (vgl. Geller, 2015, S. 12).

In den technischen Naturwissenschaften bezeichnet Gleichgewicht den Zustand von Systemen, der sich ohne Einwirkung von außen nicht ändert. Übertragen auf thermodynamische Systeme bedeutet das, dass ein thermodynamisches System im Gleichgewicht ist, wenn sich seine Zustandsgrößen ohne äußere Einwirkung nicht ändern. Es gibt mehrere Arten von Gleichgewichtszuständen, eins davon ist das thermische Gleichgewicht. Die Aussagen zum thermischen Gleichgewicht werden als nullter Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst (vgl. Geller, 2015, S. 25): „Systeme im thermischen Gleichgewicht haben dieselbe Temperatur. Kommen zwei Systeme unterschiedlicher Temperatur miteinander in Berührung, so fließt solange Wärme vom wärmeren System zum kälteren, bis beide die gleiche Temperatur haben.“ (Geller, 2015, S. 26).

3. Simulation des Aufheizens eines Werkstückes in einem Glühofen

In einen gasbeheizten Glühofen (siehe Abb. 2), der über eine geeignete Regelung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, wird zum Zeitpunkt ein Werkstück mit der Masse und der Anfangstemperatur eingebracht (vgl. Scherf, 2010, S. 85).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufheizen eines Werkstückes im Glühofen (Scherf, 2010, S. 85)

Das Material des Werkstücks hat die spezifische Wärmekapazität , die beschreibt wie viel Energie pro Kilogramm Masse benötigt wird, um das Werkstück um 1°C zu erwärmen. Die Oberfläche des Werkstücks ist und der Wärmeübergangskoeffizient ist (vgl. Scherf, 2010, S. 85). Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt wie viel Leistung pro Quadratmeter der Oberfläche dem Werkstück zugeführt wird, abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Werkstück und Umgebung. „Das Werkstück soll eine homogene Temperaturverteilung haben und die Wärme soll ausschließlich durch Wärmeübertragung erfolgen, d.h. der Strahlungsaustausch wird nicht berücksichtigt.“ (Scherf, 2010, S. 85).

3.1. Aufstellen der Differenzialgleichung

Zu Beginn des Aufstellens der Differenzialgleichung legt man einen Kontrollraum um das Werkstück und stellt eine Leistungsbilanz für diesen Kontrollraum auf (siehe Abb. 3).

Die Leistungsbilanz (1.1) für den Kontrollraum lautet: „Die Differenz zwischen der zugeführten Leistung und der abgeführten Leistung führt zu einer zeitlichen Änderung des thermischen Energiegehaltes des Werkstückes.“ (Scherf, 2010, S. 86).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Freigeschnittenes Werkstück

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Details

Seiten
19
Jahr
2018
ISBN (eBook)
9783668710016
Dateigröße
567 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v426502
Institution / Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,0
Schlagworte
AKAD SYA81 Thermodynamik Aufheizen eines Werkstücks

Autor

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Titel: Aufheizen eines Werkstücks in einem Glühofen