Was das CERN mit Ihrem Frühstücksbrötchen zu tun hat

Das CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) untersucht, was kurz nach dem Urknall passiert ist, während die Bäckerei für Ihre Frühstücksbrötchen sorgt.

Abbildung 1 Vermutlich gab es zu Zeiten des Urknalls noch keine Brötchen

Eine Bäckerei muss möglichst effizient Brötchen backen. Dabei sollen alle Brötchen auf dem Blech gleichmäßig warm werden. Je höher die Ofentemperatur, desto schneller sind die Brötchen fertig, wenn aber die Temperatur zu hoch ist, sind die Brötchen außen fertig und innen roh oder innen fertig und außen verbrannt. Dann haben Sie nicht wirklich Zeit gespart.

Brötchen in der Mitte des Blechs haben etwas andere Backzeiten als die am Rand. Sind die Unterschiede gravierend, liegt es womöglich an Ihrem Ofen.

Sie sehen: Maximale Temperatur, Backzeit und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Ofen sind wichtig, um effizient gute Brötchen zu backen.

Natürlich betrachten wir hier nicht den kompletten Teilchenbeschleuniger des CERN, sondern nur hochpräzise Teile, die dort eingesetzt werden.
Auch bei der Produktion von gesinterten Rollen aus Carbon für das CERN müssen beim Backen Temperatur und Zeit genau im Auge behalten werden. Der Backofen heißt in diesem Fall Autoklav und, was noch dazu kommt, ist ein erhöhter Druck und Argon statt heißer Luft.

Wir wollen uns im Folgendem der optimalen thermischen Auslegung des Autoklavs widmen.

Durch ein öffentliches Forschungsprojekt mit unserem Kunden Carbolite Gero GmbH, der ein Autoklav baut, haben wir die Möglichkeit, Ihnen detaillierte Praxisbeispiele zu liefern.

Wie gehen wir bei der Auslegung genau vor?

Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation. Genauer gesagt soll das Luftführungskonzept des neuen Autoklavs untersucht und optimiert werden.
Ziel der Simulation ist die Reduktion der Prozessdauer (Backzeit). Dabei soll eine homogene Temperaturverteilung schneller als bisher erreicht werden. Zudem sollte die Temperaturdifferenz während der Haltezeit kleiner als 6K sein.

Abbildung 2 CAD-Daten des Autoklaven

Der orange dargestellte Lüfter in Abbildung 2 saugt das Inertgas Argon umlaufend aus der Mitte an und drückt es im Randbereich nach hinten. Die Temperatur wird über Heizelemente eingestellt. Das Produkt, die „Brötchen“, sind blau dargestellt.

Wie beim Backofen mit Umluft spielt die Strömungsgeschwindigkeit eine große Rolle.

Abbildung 3 Geschwindigkeitsverteilung an den beiden Enden

Man sieht deutlich, dass große Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit vorhanden sind. Diese Unterschiede gilt es, zu reduzieren.
Es zeigte sich außerdem, dass es zu einer Kurzschlussströmung zwischen Ein- und Auslass kommt, d.h. der Lüfter befördert trotz Trennblechen nur einen Teil des Gases nach hinten.

Auf unser Backofenmodell bezogen, würde das bedeuten, dass die Umluft nicht richtig funktioniert und im Ofen lokale Wirbel vorhanden sind, während weniger Luft über die Brötchen streicht.

Dieser offensichtliche Mangel konnte bereits nach den ersten Untersuchungen durch entsprechende Maßnahmen korrigiert werden.

Es wurden im Rahmen des Projektes insgesamt drei unterschiedliche Geometrievarianten untersucht. Die vielversprechendste Geometrievariante wurde dann anschließend zur Temperatursimulation verwendet.

Abbildung 4 Temperaturverteilung nach 40 h in verschiedenen Schnitten

Der „Backprozess“ teilt sich in 3 Temperschritte auf, da die gesamte Temperaturerhöhung in einem Schritt zu großen Temperaturunterschieden führen würde. In den einzelnen Haltephasen werden die Temperaturen gleichmäßiger, so dass die Temperaturunterschiede in den Produkten nicht zu groß werden.

Das Diagramm in Abbildung 4 zeigt die Heizkurve, die vertikale Linie den betrachteten Zeitpunkt.

Das Strömungsfeld zeigt hier bereits eine sehr einheitliche Temperaturverteilung.

Abbildung 5 Temperatur in den Bauteilen

Betrachten wir im Folgenden den zeitlichen Verlauf einiger Temperaturmesspunkte auf dem Produkt.

Die mittlere Temperaturdifferenz liegt bei Tool 1 (rechter Quader) bei 6,37K und bei Tool 2 (linker Quader) bei 5,82K.

Innerhalb der Aufheizvorgänge unterscheiden sich die Temperaturen in den Punkten um bis zu 24K. Diese Abweichung innerhalb der Bauteile wird durch die lange Haltezeit reduziert und beträgt 6K wie gefordert.

Abbildung 6 Zeitliche Temperaturverläufe auf dem Produkt

Abbildung 7 Zeitliche Verläufe der Temperaturdifferenzen auf dem Produkt

Konstruktionsfehler (Kurzschlussströmung) konnten somit bereits frühzeitig in der Konstruktionsphase erkannt und behoben werden.

Alle Anforderungen des Lastenhefts an den Backofen konnte somit bereits bei der Konstruktion optimiert und erreicht werden und bestätigten sich später auch durch Messungen beim Betrieb der Anlage.

Ich gehe davon aus, dass auch Ihre Aufgabenstellungen sich irgendwo zwischen dem Urknall und einem Brötchen ansiedeln lassen.

Wir unterstützen Sie, egal ob einfache oder komplexe Geometrie, ob einfache oder komplexe Physik und helfen Ihnen, auch bei Ihren Projekten Zeit, Geld und Nerven zu sparen.

Sind Sie neugierig geworden? Gerne diskutieren wir mögliche Aufgabenstellungen aus Ihrem Hause unverbindlich mit Ihnen. Senden Sie uns einfach eine kurze Mail. Wir melden uns dann gerne bei Ihnen.

Ihr Stefan Merkle

PS: Ich bin sicher, dass Sie jetzt Ihre Frühstücksbrötchen mit anderen Augen betrachten, eigentlich Hightech, oder?

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