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Die
Erfindung betrifft ein Messsystem für die Ermittlung des lokalen
Wärmeübergangskoeffizienten
in einem Ofen und ein Messverfahren zur Bestimmung einer charakteristischen
Eigenschaft eines Ofens.
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Für die technische
Abnahme technischer Öfen
ist es bekannt, die Temperaturgleichmäßigkeit im. leeren Ofen und/oder
eine Aufheizkurve mit möglichst
hoher Ofenbelegung zu messen (DIN 17052-1, DIN 65570). Ferner ist
es bekannt, mittels Schleppelementen im Ofenraum Temperaturwerte
an ausgewählten
Stellen an der Nutzgutoberfläche
zu erfassen. Die Thermoelemente werden dazu zwischen Nutzgutstücke geklemmt
oder auf das Nutzgut aufgeschweißt.
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Die
Gleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung am Ende der Haltephase im Ofenraum wird
ermittelt, weil man der Auffassung ist, dass sie Grundlage für eine hohe
Qualität
des nachfolgenden Bearbeitungsprozesses, z. B. das Härten, ist.
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Aus
der
DE 41 35 313 C2 ist
ein Verfahren zum Abkühlen
einer Werkstückcharge
innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses
mittels Gaskühlung
bekannt, bei dem während
des Abkühlprozesses
mit Hilfe mehrerer Messfühler,
z. B. Thermoelementen, kontinuierlich die Temperatur an mindestens einer
im Chargenraum angeordneten Messstelle außerhalb des Werkstücks erfasst
wird und mittels eines Rechners durch einen mit Hilfe einer Vergleichseinrichtung
vorgenommenen, fortlaufenden Vergleich zwischen Soll- und Ist-Temperatur
die den Abkühlprozess
bestimmenden Parameter wie etwa Kühlgasgeschwindigkeit und Kühlgasdruck
in Abhängigkeit
vom Ergebnis dieses Vergleichs eingestellt und auf diese Weise der
jeweilige Abkühlprozess
gesteuert wird. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird mit Hilfe
der Messfühler
der Temperaturverlauf über den
Querschnitt mindestens einer im Chargenraum angeordneten Messsonde
definierter Geometrie und definierten Werkstoffs erfasst. Der Rechner
zur Steuerung des Abkühlprozesses
aufgrund dieses Temperaturverlaufs errechnet über die Bestimmung der Wärmestromdichte
und des Wärmeübergangs
an der Messsonde, den zeitlichen Temperaturverlauf im Werkstück, das
heißt
in dem interessierenden Querschnitt des Werkstücks, und vergleicht mittels
der Vergleichseinrichtung den solcher Art errechneten aktuellen
Ist-Temperaturverlauf fortlaufend mit einem vorgegebenen Soll-Temperaturverlauf
im Werkstück.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
für ein
Messverfahren zur Ermittlung einer charakteristischen Eigenschaft
des Ofens geeignetes Messsystem vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird durch das Messsystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass eine hohe Produktivität des Ofens
erreicht wird, wenn im Ofenraum während des gesamten Aufheizprozesses
ein hoher und gleichmäßiger Wärmeübergangskoeffizient
besteht. Dieser wird bisher jedoch nicht erfasst. Deshalb schlägt die Erfindung
vor, für
die Abnahme eines Ofens oder die Entwicklung verbesserter Beheizungsverfahren
eine von der Ofenbelegung unabhängige
Wärmeübergangskoeffizients-
und Aufheizmessung durchzuführen.
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Das
erfindungsgemäße Messsystem
für die Ermittlung
des lokalen Wärmeübergangskoeffizients in
einem Ofen weist mindestens einen Probenkörper, in dessen Innern ein
erstes Temperaturmesselement angeordnet ist und an dessen Oberfläche zumindest ein
zweites Temperaturmesselement angeordnet ist, auf. Ferner weist
das Messsystem einen ersten Grundkörper mit einem Verbindungselement,
das den Probenkörper
mit dem Grundkörper
verbinden kann, und mindestens einen zweiten Grundkörper mit
einem Verbindungselement, das den Probenkörper mit dem zweiten Grundkörper verbinden
kann, auf. Ferner ist ein Grundträger mit zumindest einer Aufnahme,
die wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Grundkörper verbunden
werden kann, vorgesehen. Ein solches Messsystem ist besonders bevorzugt
mit einer Vielzahl von Grundkörpern
ausgebildet. Es eignet sich dazu, Öfen verschiedener Abmessungen
zu vermessen.
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Je
nach Form des Ofens wird ein für
die Vermessung dieses Ofens geeigneter Grundkörper ausgewählt, also der Grundkörper, der
nach Anbringen an dem Grundträger
den von ihm gehaltenen Probenkörper
an der für
die Messung geeigneten Stelle hält.
Die Aufnahme kann beispielsweise nach der vorbeschriebenen Art einer
Verbindungsstelle ausgebildet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der erste Grundkörper
eine andere Länge
als der zweite Grundkörper
auf, so dass der Probenkörper
je nach Wahl des Grundkörpers
in unterschiedlichem Abstand zum Grundträger gehalten werden kann.
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Die
aus dem Messsystem zusammensetzbare Messvorrichtung ist für die Ermittlung
des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten
in einem Ofen ausgebildet und weist hierzu einen Probenkörper auf,
in dessen Innern ein erstes Temperaturmesselement angeordnet ist
und an dessen Oberfläche
zumindest ein zweites Temperaturmesselement angeordnet ist. Mit
einer solchen Messvorrichtung kann die Temperaturdifferenz zwischen
der Oberfläche
und dem Innern des Probenkörpers
ermittelt werden. Aus dieser Temperaturdifferenz ist es möglich, den
lokalen Wärmeübergangskoeffizient
von der Ofenatmosphäre
an den Probenkörper
zu ermitteln.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Probenkörper
kugelförmig
ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass ein derartig geformter Probenkörper besondere
Vorteile aufweist. Hierdurch ergibt sich insbesondere die Möglichkeit
einer einfachen Berechnung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten an den
Probenkörper.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Temperaturelement derart ausgebildet und angeordnet,
dass es die Temperatur im Mittelpunkt des Probenkörpers ermittelt.
Bei einem kugelförmigen
Probenkörper
wird als Mittelpunkt der geometrische Mittelpunkt des kugelförmigen Probenkörpers verstanden.
Bei anders geformten Probenkörpern
wird als Mittelpunkt des Probenkörpers
der Massenschwerpunkt des Probenkörpers verstanden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Probenkörper
aus einem hitzebeständigen Material.
Besonders bevorzugt ist dies ein hochtemperaturbeständiger Stahl
oder eine Keramik.
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Das
Messsystem weist einen ersten Grundkörper und ein Verbindungselement
auf, das den Probenkörper
mit dem Grundkörper
verbindet. Das Verbindungselement und bevorzugt auch der Grundkörper sind
insbesondere derart gestaltet, dass sie eine geringe Wärmeleitung
und eine geringe Wärmekapazität haben,
so dass nur geringe Wärme
von dem Grundkörper
an den Probenkörper
weitergeleitet wird. Hierzu ist das Verbindungselement beispielsweise
mit einem geringeren Querschnitt als der Probekörper ausgebildet. Alternativ
kann das Verbindungselement aus einem besonderen Werkstoff mit einer
besonders geringen Wärmeleitung
ausgebildet sein. Das Verbindungselement kann ein an dem Grundkörper oder
an dem Probenkörper
ausgebildeter Stift sein, der in einer Ausnehmung des Probenkörpers bzw.
des Grundkörpers
eingesteckt werden kann. Alternativ kann das Verbindungselement
beispielsweise ein Gewindestift sein, der an einer Seite in ein
Gewinde des Grundkörpers
und an seiner anderen Seite in ein Gewinde des Probenkörpers eingeschraubt
werden kann. Ein gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
nicht einstückig an
dem Grundkörper
bzw. dem Probenkörper
ausgebildetes bzw. fest mit dem Grundkörper, bzw. dem Probenkörper verbundenes
Verbindungselement eignet sich besonders, um aus einem anderen Werkstoff,
als der Probenkörper,
bzw. der Grundkörper ausgeführt zu werden,
beispielsweise aus einem Werkstoff, der eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Grundkörper
als Stange ausgebildet.
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Das
Messsystem weist einen Grundträger auf.
Dieser Grundträger
kann der Messvorrichtung ihren Grundaufbau geben und Verbindungsstellen
für einen
oder mehrere Grundkörper
aufweisen.
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Beispielsweise
kann der Grundträger
mindestens eine Aufnahme aufweisen, in die ein als Stange ausgebildeter
Grundkörper
endseits eingesteckt werden kann. Ferner kann an dem Grundträger eine
Verbindungsmöglichkeit
für ein
Verbindungselement vorgesehen sein, das einen Probenkörper mit
dem Grundträger
verbindet. Beispielsweise kann für
einen Probenkörper
mit einem fest an dem Probenkörper
ausgebildeten stiftartigen Verbindungselement eine Aufnahme in dem
Grundträger vorgesehen
sein, in die das stiftartige Verbindungselement eingesteckt wird.
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Ein
Messverfahren zur Bestimmung einer charakteristischen Eigenschaft
eines Ofens sieht vor, dass ein Probenkörper, in dessen Innern ein
erstes Temperaturmesselement angeordnet ist und an dessen Oberfläche zumindest
ein zweites Temperaturmesselement angeordnet ist, in den Ofen eingebracht
wird und während
des Ofenbetriebs mittels des ersten und des zweiten Temperaturmess elements
die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Probenkörpers und
dem Innern des Probenkörpers
ermittelt wird und aus der Temperaturdifferenz der lokale Wärmeübergangskoeffizient
ermittelt wird. Dies kann beispielsweise numerisch oder beispielsweise
mittels Diagrammen erfolgen. Der Probenkörper kann eine Mehrzahl von
Temperaturmesselementen aufweisen, insbesondere eine Mehrzahl von
an der Oberfläche
des Probenkörpers
vorgesehenen Temperaturmesselementen. Die Temperaturdifferenz zwischen
der Oberfläche
und dem Innern des Probekörpers
kann bei einer solchen Ausführungsform
aus der Temperaturdifferenz zwischen der Mehrzahl der Temperaturmesselemente
ermittelt werden, beispielsweise aus dem Mittelwert der einzelnen
Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Messstellen an der
Oberfläche
und der/den Messstelle(n) im Innern des Probekörpers.
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Durch
die Erfindung erhält
man eine zusätzliche
Information über
die Qualität
der Beheizung in einem Ofen. Dies ist bei der Ofenabnahme und für die Optimierung
und Entwicklung verbesserter Öfen und
Beheizungsverfahren (hinsichtlich Ofengeometrie, Brenneranordnung
und -steuerung sowie Nutzgutbelegung) für Forschung/Entwicklung, Anlagenbau
und Betreiberseite vorteilhaft.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigt die einzige Figur eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
mit zwei Probenkörpern.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 weist
einen ersten Probenkörper 2 und
einen zweiten Probenkörper 3 auf.
Im Innern des jeweiligen Probenkörper 2, 3 ist
jeweils ein (nicht dargestelltes) erstes Temperaturmesselement angeordnet.
An der Oberfläche
der jeweiligen Probenkörper 2, 3 ist
jeweils ein zweites (nicht dargestelltes) Temperaturmesselement
angeordnet. Die Probenkörper 2, 3 sind
kugelförmig
ausgebildet. An dem ersten Probenkörper 2 ist ein Verbindungselement 4 vorgesehen.
Dieses ist stiftförmig
ausgebildet und mit dem Probenkörper 2 verbunden.
Das stiftartige Verbindungselement 4 ist in eine Öffnung eines
ersten Grundkörpers 5 eingesteckt
und verbindet somit den Probenkörper 2 mit dem
Grundkörper 5.
Das stiftartige Verbindungselement 4 ist schmal ausgeführt, so
dass es allein aufgrund dieser Geometrie eine geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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Der
erste Grundkörper 5 ist
als Stange ausgebildet. Er ist an dem der Aufnahme für das Verbindungselement 4 gegenüberliegenden
Seite in eine Aufnahme 6 eines Grundträgers 7 eingesteckt.
Der Grundträger 7 ist
leiterförmig
ausgebildet und weist weitere Aufnahmen 6 zur Aufnahme
von Grundkörpern
auf. Ferner weist der Grundträger 7 eine
Ausnehmung 8 auf. In dieser Ausnehmung 8 ist ein
stiftartiges Verbindungselement 9 eingesteckt. Dieses stiftartige
Verbindungselement 9 ist mit dem Probenkörper 3 verbunden.
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Zur
Messung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten
von der Ofenatmosphäre
an die Probenkörper 2, 3 in
einem Ofen wird der Grundträger 7 mit
Probenkörpern 2, 3 bestückt. Dabei
wird zunächst festgelegt,
an welcher Stelle des Ofens der lokale Wärmeübergangskoeffizient gemessen
werden soll. Entsprechend dieser Festlegung wird entschieden, ob
der für
die Messung vorgesehene Probenkörper 3 unmittelbar
mit dem Grundträger 7 zu
verbinden ist oder ob der für
die Messung vorgesehene Probenkörper 2 über einen
Grundkörper 5 mit
dem Grundträger 7 verbunden
werden soll. Ferner wird festgelegt, welcher Grundkörper 5,
insbesondere welcher Grundkörper 5 aus
einer Mehrzahl von Grundkörpern unterschiedlicher
Länge,
ausgewählt
wird. Anschließend
werden die ausgewählten
Probenkörper
mit dem Grundträger
verbunden. Dies kann außerhalb des
Ofens erfolgen, so dass die so zusammengestellte Messvorrichtung
als Ganzes in den Ofen eingebracht wird. Es kann aber auch zunächst der Grundträger 7 in
den Ofen eingebracht werden und dann im Ofen mit Probenkörpern 2, 3 bestückt werden.
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Während der
dann folgenden Aufheizphase des Ofens wird mittels des jeweils ersten
und des jeweils zweiten Temperaturmesselements an den jeweiligen
Probenkörpern 2, 3 die
Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des jeweiligen Probenkörpers 2, 3 und
dem Innern des jeweiligen Probenkörpers 2, 3 ermittelt
und aus der Temperaturdifferenz der lokale Wärmeübergangskoeffizient an dem
jeweiligen Probenkörper
ermittelt.