Furnace Fixers nutzte CFD mit SimScale, um die Leistung seines Ofens um 40% zu verbessern

Die Herausforderung

Untersuchung der Leistung einer nicht standardisierten Konstruktion für einen Ofen

Der Bau von Industrieöfen ist eine äußerst komplexe Aufgabe, die innovative und spezielle Lösungen für die Anwendungen der Endkunden erfordert. Das Hauptziel besteht darin, eine gleichmäßige Lufttemperatur auf der Teileebene im Förderband oder im Ofen zu gewährleisten. Dies wird durch die Wahl der richtigen Ofengröße, Heizungsart und Geschwindigkeit der internen Ventilatoren erreicht. Die Produkte von Furnace Fixers ermöglichen die Einhaltung von Qualitätsspezifikationen für die Wärmebehandlung wie AMS-2750E oder CQI-9. Insbesondere müssen die Öfen, die zur Herstellung von Teilen verwendet werden, eine gleichmäßige Temperatur innerhalb eines Plus- oder Minusbereichs vom Sollwert in einem Bereich des Ofens, der als Arbeitszone bezeichnet wird, liefern. Je größer die Arbeitszone ist, desto besser. In diesem Fall ist der Bereich, um den es geht, plus oder minus 20⁰F.

Obwohl allgemeine Lösungen von Projekt zu Projekt übertragen werden können, führen diese Änderungen in vielen Fällen dazu, dass die Entwicklung in unerforschte Gebiete vorstößt. Die große Erfahrung des Teams von Furnace Fixers ermöglicht es ihm, die erforderlichen Parameter der konstruierten Öfen mit einer guten Genauigkeit zu schätzen. Leider führten die nicht standardisierten Spezifikationen eines bestimmten Projekts dazu, dass die erforderliche Ventilatorleistung unterschätzt wurde. Dies führte dazu, dass das Unternehmen den Ofen neu bauen musste. Aufgrund dieser Fehlleistung beschloss das Team von Furnace Fixer, die Maschinen vor dem Bau numerisch zu testen.

Die im Unternehmen verwendeten CAD-Tools verfügten zwar über CFD-Funktionen, lieferten aber nicht die erwarteten Ergebnisse. Außerdem war es aufgrund der steilen Lernkurve äußerst schwierig, sich ausreichende Kenntnisse der technischen Simulation anzueignen, um von externer Unterstützung unabhängig zu werden. Als ein neues, nicht standardisiertes Projekt anstand, bei dem es um einen Ofen mit einer sehr großen Öffnung ging, war ein anderer Ansatz erforderlich. Zu diesem Zeitpunkt entschied sich Furnace Fixers für SimScale.

Wie Sie Es Mit SimScale Gelöst Haben

Vergleich der Luftströmungslinien von zwei und drei Ventilatorenkonfigurationen

Ein weit zu öffnender Ofen würde eine erhöhte Luftzirkulation im Inneren bedeuten. Die Referenzlösung sah die Verwendung von zwei Ventilatoren mit einem Schaufeldurchmesser von 10 Zoll vor. Um die geforderte Leistung zu erreichen, erkannte das Team an, dass ein weiterer Ventilator erforderlich sein könnte und/oder der Durchmesser der Ventilatorflügel auf 12 Zoll erhöht werden müsste. Solche Änderungen mussten von einer zuverlässigen Quelle nachgewiesen werden. An dieser Stelle sollten CFD-Simulationen zum Einsatz kommen.

Der erste Schritt des CAE-Ansatzes bestand darin, eine Simulation des Referenzofens zu erstellen. Mit den Schulungsunterlagen von SimScale und der Hilfe des Kundenerfolgsteams kam das Projekt schnell und ohne größere Probleme voran. Dies war möglich, obwohl das Team von Furnace Fixers noch keine Erfahrung mit CFD hatte. Die Montagezeichnungen der Öfen wurden zu sauberen Volumenextrakten konvertiert und in STEP-Formaten in die Plattform importiert. Die Komplexität der Geometrie erforderte die Verwendung von parametrischen hexaedrischen Netzen. Der Prozess der Erzeugung einer zuverlässigen Volumendiskretisierung wurde in Zusammenarbeit mit dem SimScale-Team vorbereitet.

Der Hauptfaktor, der die Temperatur in der Nähe des Ofenförderers bestimmt, ist die Luftgeschwindigkeit. Aus diesem Grund konzentrierten sich die ersten Analysen auf die Berechnung der Luftströmungsmuster innerhalb der Anlage. Die Simulationen wurden für zwei Ofenkonfigurationen mit 2 oder 3 Ventilatoren durchgeführt. Bei jeder Konfiguration wurde die Verwendung von Ventilatoren mit einem Durchmesser von 10“ oder 12“ untersucht. Außerdem wurde die Leistung der Luftverteilung bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehrichtungen der Ventilatoren untersucht.

Insgesamt wurden 16 Simulationen mit mehreren Durchläufen durchgeführt. Sie verbrauchten insgesamt über 1.200 Kernstunden. Da SimScale eine cloudbasierte CAE-Plattform ist, wurden die Studien parallel durchgeführt (in der Regel 4 Läufe gleichzeitig). Dies war ein zusätzlicher Vorteil für das Team von Furnace Fixer, sich für SimScale zu entscheiden. Die Ergebnisse lagen viel schneller vor und der Kunde musste keinen teuren, leistungsstarken Computer für die Durchführung der Analysen kaufen.

Ergebnisse

Überzeugende Erkenntnisse für die Wahl eines Ofendesigns

Dank der mit der SimScale-Plattform durchgeführten numerischen Simulationen des weit öffnenden Ofendesigns konnte das Team von Furnace Fixers die Notwendigkeit des Einsatzes von drei Ventilatoren und 12-Zoll-Schaufeln für das Projekt bestätigen und validieren. Der konstruierte Ofen übertraf die erwartete Leistung um 40 %. Die Gewissheit während der Herstellungsphase, dass der Ofen nicht umgebaut werden muss, machte den Kauf eines Jahresabonnements für SimScale Professional lohnenswert. Darüber hinaus besteht bei einer zusätzlichen Abonnementlaufzeit ein hohes Potenzial, auch Einblicke in andere Konstruktionen zu gewinnen.

Dieses Projekt hat unserem Kunden geholfen, den Wert des Einsatzes von Simulation in der Ofenkonstruktion zu beweisen und einen wiederholbaren Arbeitsablauf für künftige Projekte zu etablieren. Ein zukünftiger Einsatz von SimScale bei Furnace Fixers wird sowohl die Analyse zukünftiger Projekte als auch die Untersuchung bestehender Designs auf mögliche Verbesserungen und Optimierungen umfassen.

Dank der mit der SimScale-Plattform durchgeführten numerischen Simulationen des weit öffnenden Ofens konnte das Team von Furnace Fixers die Notwendigkeit des Einsatzes von drei Ventilatoren und 12-Zoll-Schaufeln für das Projekt bestätigen und validieren. Der konstruierte Ofen übertraf die erwartete Leistung um 40%.