Page 18

2010-03-Schmiede-Journal

Schmiedeerwärmungsanlage. Es ist zu sehen, dass der elektrische Wirkungs grad ηinductor und der thermische Wirkungs grad ηthermal der Induktionsspule das größte Po ten zial bietet. Der erste Teil der Anstrengungen konzentriert sich daher im Rahmen des Projekts darauf diesen Anteil zu reduzieren und somit den Ge - samtwirkungsgrad zu verbessern. Hierbei un ter - teilen sich die Maßnahmen auf das rein thermische Verhalten und somit die Ver ringe rung der Verluste durch die Wärmeabgabe des Werk - stücks über das Induktorgehäuse. Mög liche Einflussparameter sind hierbei die Aus wahl und die Dimensionierung des Ausklei dungs ma te - rials der Induktoren und der Zwi schen räume. Ein weiterer Punkt be - trifft den optimalen Trans - port der elektrischen Ener - gie in das Werk stück und die Umwandlung in Wärme Bild 3: Induktionserwärmer mit erhöhter Rücklauftemperatur. Bilder: Autoren direkt im Werkstück. Hierzu muss die elektromagnetische Kopplung von Induktor und Werkstück näher untersucht werden, da dies die physikalische Grundlage eines guten elektrischen Wir kungs grades bildet. Mög liche Para - meter sind hier das Spu len design und die Betriebs frequenz. Hier bei gilt es einen energetisch gelungenen Kom pro miss aus elektrischem Wir - kungs grad und Flexi - bili tät der Er wär - mungsanlage zu finden. Zur Optimierung der Erwär mungs an la - ge wird die Methode der Finiten Elemente eingesetzt, eine Verifi zie rung erfolgt anhand eines Ver suchs stands beim Pilotanwender. Die aus dem Versorgungsnetz bezogene elektrische Energie wird über Trans for ma to ren ηtransformer und Schwingkreisumrichter ηconverter von der Netzspannung und der Netzfrequenz von üblicherweise 50 Hz auf prozessspezifische Frequenzen und Spannun gen umgewandelt und über Stromschienen oder Kabel ηbus zum Induk - tor geleitet. Die Fre quenz um wand lung er for dert eine große Anzahl von Schalt vor gän gen, die in der Regel durch Leistungs halb leiter auf Sili - ziumbasis re alisiert werden. Diese sind durch den ge rin gen zulässigen Tem pera tur bereich und die großen zu schaltenden Las ten intensiv auf einem niedrigen Tem pera turniveau zu kühlen. Ak tu elle Ten - denzen zeigen, dass neue Ent wick lun gen auf Basis von SiC-Halbleitern bei geringeren Verlusten mit höheren Tem pe ra tu ren betrieben werden können. Dies verbessert einerseits den elektrischen Wirkungs - grad des Umrich ters ηconverter, er leich tert aber auch durch ein höheres Tem pe - raturniveau die Nut zung der unvermeidlichen Rest ener - gie, die im Fol genden vorgestellt wird. Die Nutzung von thermischer Energie auf niedrigem Temperatur - ni ve au ist teilweise sehr aufwendig und ein Ausgleich stark schwankender Energiemengen ist meist nur mit gro ßen Energiespeichern möglich. Durch geänderte Halbleitertechnologie erhöht sich durch die bereits erwähnte höhere zulässige Be triebs tem peratur die Rück - lauftemperatur der Um rich ter küh lung und eine Nutzung wird hierdurch prinzipiell vereinfacht. Eine Spei cherung der Energie kann umgangen werden, falls die Energie unmittelbar dem Prozess erneut zugeführt werden kann. Es soll im Rahmen dieses Projekts die Integration ei ner Vorwärmung aus der gespeicherten Ener gie der gefertigten Teile auf Machbarkeit ge prüft werden. Hierzu wird ein Induk tions er wär mer, wie er im Bild 3 gezeigt ist, mit höherer Rück - lauftemperatur konzipiert und im Rahmen eines Versuchs auf baus erprobt werden. Es darf dabei nicht außer acht gelassen werden, dass eine erhöhte Betriebstemperatur der Induktionsspule die Leitungsverluste erhöht, da der spezifische elektrische Widerstand von Kupfer ebenfalls mit der Temperatur steigt. Hier erfolgt ein detaillierter Kosten-Nutzen-Ver - gleich. Anhand der gewonnenen Mess da ten er - folgt eine detaillierte Bewertung der um ge - setzten Maß nah me. C. Rück füh rung und Nut zung der er heb - lichen Energie mengen aus der Prozess - wärme in den Produk tions prozess. Im Rahmen dieses Arbeitspunktes werden Kon zepte und Maßnahmen entwickelt, er - probt und bewertet, um die Prozessenergie dem zu erwärmenden Vormaterial teilweise wieder zuzuführen. Als Lösungsweg ist ge - plant, ein neues Materialflusskonzept zu entwickeln, was den Energieaustausch prinzipiell ermöglicht. Die einzelnen Be ar bei tungs - pha sen lassen sich wie folgt unterteilen: • Entwicklung, Erprobung und Bewertung ei nes Konzepts zur Übertragung „gebündelter“ Energie auf das Vormaterial • Wirtschaftlichkeitsbetrachtung • Dokumentation. Für die Erprobung wird ein Demonstrator zur Energierückführung auf das Vormaterial er stellt und getestet. Die Anforderungen an eine nach folgende Erwärmung bis auf End - tem pe ra tur werden in Form eines Pflichten - hefts be schrieben. Report 18 Schmiede-Journal März 2010 Die beteiligten Projektpartner: – CDP Bharat Forge GmbH – Hirschvogel Umformtechnik GmbH – Industrieverband Massivumformung e. V. (Projektkoordination) – Labor für Massivumformung (LFM) – MAHLE Brockhaus GmbH – Rasche Umformtechnik GmbH&Co KG – SMS Elotherm GmbH – Zenergy Power GmbH Die Projekte werden gefördert mit finanzieller Unterstützung durch: Bundesminis te - ri um für Bildung und Forschung (BMBF), Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) und Europäischer Fonds für regionale Entwicklung NRW (EFRE). Bild 2: Gesamtwirkungsgrad eines Induktionserwärmers. Dipl.-Ing. Rainer Labs Dr.-Ing. Markus Langejürgen Prof. Dr.-Ing. Rainer Herbertz


2010-03-Schmiede-Journal
To see the actual publication please follow the link above