LEHRSTUHL

THERMODYNAMIK

UND VERBRENNUNG

Der thermische Trocknungsvorgang stellt häufig, ne-ben einer ggf. notwendigen mechanischen Zerkleinerung, den zeit- und energieintensivsten Schritt bei der stofflichen und thermischen Nutzung feuchter Biomassen dar. Die dabei zu behandelnden Güter umfassen ein sehr breites Spektrum von natürlichen Ausgangsmateria-lien, von erntefrischen Lebensmitteln, landwirtschaftlichen Abfällen bis hin zu unterschied-lichsten holzartigen Stoffen. Bei allen diesen Gütern sind nicht nur der Zeit- und Energieauf-wand, sondern auch die Qualität des Trocknungsvorgangs von sehr großer Bedeutung für die Nutzbarkeit der zu gewinnenden Produkte.

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Die angestrebten Forschungsergebnisse verbessern das Prozessverständnis für den Strangguss von NE-Metallen. Dazu werden die örtlichen Verläufe des Wärmeübergangs und die Wirkung der Einflussparameter bereitgestellt. Die angestrebten Forschungsergebnisse ermöglichen daher eine bessere Auslegung und ein verbessertes Design von Kühleinrichtungen von Stranggussanlagen.

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Die Kalk- und Zementindustrie sind für ca. 5 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich. Etwa die Hälfte des CO₂ kommt aus dem Produkt selbst durch die Kalksteinzersetzung CaCO₃ ® CaO + CO₂. Dieses CO₂ kann durch den Einsatz regenerativer Energien nicht vermeiden werden. Daher muss das CO₂ abgeschieden werden. In dem Vorhaben wird en Feststoffreaktor entwickelt, der nach dem Calcium-Looping-Verfahren arbeitet. Hier wird zur CO₂ exothermen Absorption (CaO + CO₂ ® CaCO₃) das Abgas verdichtet und zur endothermen Calcination (CaCO₃ ® CaO + CO₂) mit der CO₂-Freisetzung das Gas entspannt. Dadurch läuft die exotherme Absorption (Carbonisation) auf einem höheren Temperaturniveau ab als die endotherme Calcination. Die freiwerdende Wärme wird in den Partikeln des Reaktors regenerativ gespeichert und danach zur Calcination verwendet.

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Ziel des Vorhabens ist es, ein neuartiges Ofenkonzept zur deutlichen Verbesserung des Energiehaushaltes durch die Verwendung keramischer Rollenlager umzusetzen. Am Ende des Projekts soll daher ein Lager zur Verfügung stehen, das im Ofen platziert werden kann. Über dieses wird das Gut auf Platten stehend durch den Ofen gedrückt, wie dieses bisher mit Wagen der Fall ist. Die Festigkeit und Lebensdauer der Lager soll ermittelt werden. Damit soll eine Auslegung der Lager hinsichtlich Größe und Anzahl möglich sein. Die Ergebnisse sollen durch Versuche an einem Labortunnelofen validiert sein. Es wird ein mathematisches Modell zur Verfügung stehen, mit dem der Brennprozess für verschiedene Bedingungen simuliert werden kann. Damit können optimale Besatzverbände hergeleitet werden. D. h., es kann berechnet werden, wie weit die Besatzhöhe reduziert und dafür die Durchlaufzeit verkürzt werden kann, um einen gleichen Durchsatz zu erhalten. Eine geringe Besatzhöhe verringert die Belastung der Lager und die kürzere Durchlaufzeit erhöht die Flexibilität des Prozesses. Letztendlich soll durch das neue Transportsystem so viel Energie eingespart werden, dass ab dem Jahr 2050 wirtschaftlich CO₂-frei produziert werden kann.

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In vielen Industriezweigen wird aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten auf Gewichtseinsparung und Ressourcenschonung gesetzt. Die Umsetzung dieser Zielsetzungen, sowie die Vorgaben der Politik, führen zur Entwicklung verbesserter Strukturwerkstoffe. Zur Herstellung dieser Werkstoffe werden neue Wärmebehandlungsmöglichkeiten benötigt, um die geforderten mechanischen Eigenschaften mit günstigen Legierungskonzepten zu erreichen.

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Ziel des Forschungsvorhabens ist das theoretische Einsaprpotential zu nutzen und sowohl die Energieeffizeint des Tunnelofens zu steigern, als auch den Verbund zwischen Ofen und Trockner optimaler zu nutzen.

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Mit steigenden Anforderungen an die Materialien wachsen auch die Forderungen an eine ausgereifte Wärmebehandlungstechnologie bestehend aus Aufheizung und gezielter Kühltechnologie. Für die Auslegung einer Kühlstrecke ist eine Vielzahl von Fragen zu lösen. Zunächst ist in Abhängigkeit vom Produkt zu entscheiden, welcher Düsentyp zum Einsatz kommen soll, d.h. Vollkegel-, Vollstrahl- oder Flachstrahldüse. Diese Entscheidung erfordert Grundkenntnisse über die einzelnen Düsentypen. Dann ist die Positionierung der Einzeldüsen im Kühlfeld festzulegen. Neben der Festlegung des Düsenabstandes, der fluchtenden oder nicht fluchtenden Düsenanordnung geht es um die Frage des einzustellenden Spritzwinkels und des Düsenabstandes zum Blech. Auch Betriebsparameter wie Düsendruck, Bandgeschwindigkeit und Grenzen der Kühlwassertemperatur gehören dazu. Die optimale Festlegung dieser Parameter ist im Wesentlichen vom zu kühlenden Material, den Qualitätsanforderungen an das Material und dessen geometrischer Größe wie z.B. der Dicke abhängig.

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Drehrohröfen sind gekennzeichnet durch ihre Rotation um die Rohrachse sowie die Neigung zur Horizontalen, wodurch ein kontinuierlicher axialer Schüttguttransport ermöglicht wird. Während sich der axiale Transport und die damit einhergehenden transversalen Bewegungsmuster der Schüttung in Drehrohren mit makroskopischen Modellen beschreiben lassen, ist der Wärmetransport in einem solchen System nur ansatzweise bekannt. Insbesondere die Auswirkungen der Transversalbewegung auf den axialen Schüttguttransport und den Wärmeeintrag in das Schüttbett sind bisher nicht erforscht. Ziel des Projektes ist es, die Basis für makroskopische Modelle, die das thermische Verhalten während des Axialtransportes eines polydispersen Schüttguts beschreiben können, zu schaffen und um chemische
Reaktion zu erweitern. Hierzu wird eine partikelbasierende Simulationsmethodik (DEM), die fortlaufend durch Experimente überprüft wird, eingesetzt, um den Einfluss des Axialtransportes auf den Wärmeeintrag und das Reaktionsverhalten von Schüttgütern zu untersuchen.
Nach Projektende werden verbesserte mathematische Modelle und Berechnungsvorschriften zur Verfügung stehen, mit denen Hersteller von Drehrohren und Engineering Firmen das thermische Verhalten in der Schüttung während des Axialtransportes in Drehrohren bestimmen können. Diese Modelle werden den Einfluss der Dimensionierungs- und Betriebsparamater sowie der Schüttguteigenschaften (mechanisch und thermophysikalisch) berücksichtigen. Der konkrete
Nutzen der Modelle ist vielfältig. Besser gesicherte Transportmodelle reduzieren Zeit und Kosten für aufwändige Vorversuche bei der Produktentwicklung, tragen dazu bei Sicherheitszuschläge zu minimieren, verbessern die Produktqualität bzw. senken mögliche Ausschussmengen durch optimierte Einhaltung von Partikel-Zeitverläufen. Dies führt zu verminderten Investitions- und Betriebskosten sowie gesteigerten Erträgen.

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Auf Basis der Kenntnis der Temperaturverläufe und der Zersetzungsverläufe der verschieden großen Steine kann die Qualität des Kalkes gezielter beeinflusst werden. So wird der Rest-CO₂-Gehalt, der vornehmlich die großen Steine betrifft, über die Betriebsbedingungen, wie Durchsatz, Energieeinsatz und Luftmenge einstellbar werden. Es wird auch abschätzbar sein, in wie weit ein höherer Aufwand bei der Klassierung der Steine vor dem Ofeneinsatz die Brennqualität verbessert, eventuell den Energieverbrauch reduziert und die Produktivität über einen erhöhten Durchsatz steigert. Die Vorhersage über die Brennbedingungen von Kalksteinen unterschiedlicher Herkunft wird erheblich vereinfacht. Über standardisierte Laboruntersuchungen lassen sich die den Zersetzungsverlauf bestimmenden Stoffwerte (Wärmeleitfähigkeit, Porendiffusionskoeffizient, Reaktionskoeffizient) relativ schnell ermitteln. Mit diesen Stoffwerten kann dann das Zersetzungsverhalten und die Reaktivität des Branntkalkes über die Zersetzungstemperaturen vorbestimmt werden. Die Anpassung des Kalzinierungsvorganges und des überbrennen des Kalksteines bzw. des Kalkes kann somit auf unterschiedliche Brennstoffe mittels Berechnung in bestehenden Öfen angepasst werden.

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Der Brand von Grobkeramik im Tunnelofen hat sich in den letzten vier Jahrzehnten technologisch kaum verändert. Dabei machen die Energiekosten einen signifikanten Anteil an den Produktionskosten aus. Die Ursache liegt maßgeblich in einer angespannten Marktsituation, die Investitionen in Neubauten erschwert. Vor dem Hintergrund der anstehenden Energiewende müssen jedoch Maßnahmen ergriffen werden, den Energieverbrauch bestehender Anlagen drastisch zu reduzieren.
Hierfür wurde ein neues Tunnelofenkonzept hergeleitet, mit dem Ziel, den Energieverbrauch bestehender Tunnelofen zu senken. Die Bedingung hierbei war, den Verlauf der optimalen Brennkurve des Produktes nicht zu verändern. Die Maßnahmen zielen dabei auf eine Auftrennung des Wärmeverbundes zwischen Ofen und Trockner.
Dazu werden in der Kühlzone über den Wagen Radiallaufräder platziert, die das Ofengas innerhalb des Brennkanals umwälzen. Bei dieser Art der Umwälzung muss kein Gas abgesaugt und wieder eingeblasen werden. Mit relativ kleiner Leistung können große Gasmengen umgewälzt werden. Diese Art der Umwälzung ist in der Aluminium- und Kupferindustrie seit vielen Jahren etabliert zur konvektiven Erwärmung verschiedener Bauteile, da hier auf Grund des geringen Emissionsgrades der Wärmeübergang durch Strahlung äußerst gering ist.
Zur Untersuchung der Wirkung dieser Umwälzsysteme wurde am Institut für Ziegelforschung Essen e.V. in einem Versuchsofen mit Dachziegelbesatz das Strömungsfeld experimentell vermessen. Am Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik an der RWTH Aachen wurden weiterführende CFD-basierte Strömungssimulationen durchgeführt, um den Einfluss von geometrischen Parametern seitens des Besatzes bzw. des Umwälzsystems zu quantifizieren. Am Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg wurde ein Prozessmodell zur Simulation des Brandes von Dachziegeln im Tunnelofen erstellt. Somit stand ein flexibles Werkzeug zur Verfügung, um die Wirkung der Umwälzer auf den Brennverlauf zu untersuchen.
Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass durch Umwälzung die Temperaturvergleichsmäßigung und insbesondere der konvektive Wärmeübergang ansteigt. Dadurch kann in der Kühlzone der Luftstrom erheblich reduziert werden. Der Wärmeübergang wird in dem neuen Konzept nicht mehr durch die axiale Strömung mit der relativen geringen Geschwindigkeit hervorgerufen, sondern durch die Querströmung, die mit den Ventilatoren unabhängig zur axialen Strömung örtlich individuell eingestellt werden kann. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, dass die Kühlluft vollständig im Brennkanal verbleibt und als stark vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt wird. Die Luftmenge, die in der Kühlzone in einem Bypass geführt wird, erlaubt die Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit im Bereich des Quarzsprunges. Durch eine Kombination dieser Maßnahmen zum Brennen von horizontal gelagerten Dachziegeln sind Energieeinsparungen von bis zu 60 % gegenüber Vergleichsprozessen erreichbar.

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Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, den Einfluss der Rauigkeit und der Struktur der Oberfläche auf den Wärmeübergang in der Sekundärkühlzone bei NE-Stranggießverfahren quantitativ zu beschreiben. Dazu sollen bekannte Korrelationen für den Wärmeübergang an glatten Oberflächen mit zu erarbeitenden Parametern ergänzt bzw. erweitert werden. Dies soll für die beiden gängigen Verfahren Spritzkühlung und Kokillenstrahlkühlung durchgeführt werden. Es soll dazu der lokale Wärmeübergangs-koeffizient der Bereiche Blasenverdampfung, partielle Filmverdampfung und stabile Filmverdampfung mit den zugehörigen Leidenfrosttemperaturen und DNB-Temperaturen ermittelt werden.

Der Einfluss der Rauigkeit und der Struktur der Oberfläche auf den Wärmeübergang in der Sekundärkühlzone beim Strangguss von NE-Metallen wird erstmalig systematisch untersucht. Es werden erstmalig lokale Wärmeübergangskoeffizienten für die Bereiche der Blasenverdampfung sowie der instabilen und stabilen Filmverdampfung gemessen. Damit kann mit den vorhandenen Simulationsprogrammen der Spannungsverlauf während des Erstarrungsprozesses erheblich genauer berechnet werden. Folglich kann die Kühlung gezielter eingestellt werden, um Risse zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.

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Vorhandene Drehrohranlagen können gezielter optimiert und genauer an spezifische Produkteigenschaften angepasst werden. So kann die Produktqualität auf Basis bekannter, partikelaufgelöster Temperatur-Zeitverläufe gesteigert werden. Bei Absatzschwankungen kann der Prozess besser geregelt werden, was zu einer Vergleichmäßigung der Produktqualität, zur Verkleinerung von Ausschussmengen und damit zu verbesserter Ressourceneffizienz führt.

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Das Ziel des Forschungsprojektes besteht in der Ermittlung gesicherter Daten der Wärmeleitfähigkeit von feuerfesten Werkstoffen mit Hilfe von vergleichenden Messungen des Heißdraht- und des Laser-Flash-Verfahrens. Damit soll zum einen die Auslegung von Industrieöfen sicherer gemacht werden, zum anderen sollen die Prozesse in Industrieöfen genauer berechenbar sein, damit diese besser optimiert werden können. Prozesssimulationen können nämlich nicht genauer sein als die zu Grunde gelegten Stoffwerte.

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Die gekoppelten Vorgänge von Materialtransport, Wärme- und Stoffübertagung, Energieerzeugung (Verbrennung) und Materialreaktionen werden untersucht an einem Versuchsdrehrohrofen und simuliert.

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Grundsätzliches Forschungsziel ist es, durch ein mathematisches Modell ergänzt um Validierungsversuche im halb-/technischen Maßstab, die wichtigen, aber prinzipiell nicht messbaren axialen Temperaturverläufe des Schüttgutes, des Gases und der Feuerfestauskleidung zu verstehen und zu quantifizieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der modelltechnischen Beschreibung des axialen Schüttguttransportes, der axialen Dispersionsvorgänge, der transversalen Schüttbettbewegung und der Wärmeübergangsmechanismen.

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Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, Einflussmöglichkeiten zur Intensivierung des Kühlprozesses heißer Metalle mittels Flüssigkeits-Strahlkühlung aufzuzeigen. Weiterhin sollen technische Maßnahmen erarbeitet werden, mit deren Hilfe örtliche Verläufe von Wärmeübergängen gezielt eingestellt werden könne, um durch die untervermeidliches hohen Wärmespannungen Bauteilverzüge so gering wie möglich zu halten.

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Die axialen Temperaturverläufe des Gases, der Kalkpartikel und der Kalzination werden berechnet. Der Einfluss des Brennstoffs, der Steinqualität, der Steingrößenverteilung, des Durchsatzes und der Ofengeometrie werden untersucht.

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Das Forschungsziel besteht darin, das Ausbrandverhalten verschiedener Brennstoffe in Kalkschachtöfen vorhersagen zu können und zweitens das Temperaturfeld im Querschnitt zu vergleichsmäßigen.

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Zur Simulation von Prozessen in Drehrohröfen werden die Feststoffbewegung, der Wärmeübergang und die Verbrennung simuliert. Für die Vermischung von Hubregion und Kaskadenschicht wurden vereinfachte Modelle auf Basis einfach zu messender Stoffwerte, wie z. B. Schüttwinkel, entwickelt. Der Wärmetransport in der bewegten Schicht wird mit einem Versuchsdrehrohrofen mit 5 m Länge und einem Innendurchmesser von 400 mm experimentell untersucht. Die Verbrennung und Flammenform wird mit CFD simuliert.

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Grundsätzliches Forschungsziel ist es, durch ein mathematisches Modell ergänzt um Validierungsversuche im halb-/technischen Maßstab, die wichtigen, aber prinzipiell nicht messbaren axialen Temperaturverläufe des Schüttgutes, des Gases und der Feuerfestauskleidung zu verstehen und zu quantifizieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der modelltechnischen Beschreibung des axialen Schüttguttransportes, der axialen Dispersionsvörgange, der transversalen Schüttbettbewegung und der Wärmeübergangsmechanismen.

Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse soll der Einfluss der Auslegungsparameter: Durchmesser, Länge, Neigung des Rohres
der Betriebsparameter: Drehzahl des Rohres, Durchsatz des Schüttgutes und des Gases der Materialparameter: Partikeldurchmesser, Bewegungsverhalten, thermo-physikalische Stoffwerte (Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Schüttdichte) und der Beheizungsparameter: Art des Brennstoffes, Flammenlänge, Verteilung der Energiedichte bei indirekter Beheizung analysiert werden.

Auf Grund der Vielzahl der Parameter sollen mit dem Modell auf theoretischem Wege die Bedingungen ermittelt werden, mit denen die Qualität von Produkten verbessert und industrielle Prozesse optimiert werden können. Weiterhin sollen mit den Ergebnisse Drehrohröfen und deren Prozesse genauer und damit sicherer ausgelegt werden können. Das Modell soll dabei in seiner Handhabbarkeit den industriellen Anwendungen entsprechen.

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Für den Erstarrungsprozess beim Strangguss von NE-Metallen werden die Temperatur-, Gefüge-, Spannungs- und Verzugsfelder simuliert. Der Einfluss der örtlichen Kühlbedingungen beim Aufspritzen von Wasser und beim Übergießen mit Wasserstrahlen aus der Kokille wird untersucht. Daraus werden optimale Kühlstrategien entwickelt.

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Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens soll mit Hilfe von Umwälzventilatoren auf möglichst einfache Weise eine Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung in den Tunnelöfen der Ziegelindustrie erreicht werden. Durch die höhere Wärmeübertragung kann ein beträchtlicher Teil an fossiler Energie eingespart werden. Dafür muss jedoch elektrische Energie für die Ventilatoren zusätzlich aufgewendet werden. Für die gesamte aufzuwendende Primärenergie muss daher das Minimum gefunden werden. Ziel des Vorhabens ist somit ein Konzept zu entwickeln, vorhandene Tunnelöfen relativ einfach umrüsten zu können, so dass eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in der Industrie zu erwaten ist und teure Neubauten von Öfen nicht notwendig sind. Durch die damit einher gehende Optimierung der Umwälzeinrichtungen sollen Anlagenbauern und Zieglern Grundlagen zur Verfügung gestellt werden, die es ermöglichen, bei Neu- und Umbauten von Tunnelöfen entsprechenden Einfluss auf den Energieverbrauch und damit auf die Wirtschaftlichkeit der Ziegelproduktion zu nehmen, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen.

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Das Ziel der Forschungsvorhaben besteht darin, die Qualität von Wasser auf die Kühlwirkung quantitativ zu beschreiben. Die Qualität des Wassers wird beeinflusst durch Feststoffgehalte (Trenn- und Schmiermittel usw.), gelöste Gase (CO2, O2, usw.), Öle, Fette und sonstige organische Bestandteile, Salze, Härte und sonsitge anorganische Bestandteile, Algen und sonstige biologische Bestandteile.Die Wirkung dieser Komponenten auf den Wärmeübergang des Wassers soll aufgezeigt werden.Die Innovation besteht darin, dass die grundlegenden Voraussetzungen geschaffen werden, um die Qualitäten von Kühlwasser erstens messtechnisch erfassen und zweitens dann gezielt einstellen zu können. Weiterhin kann durch die Kenntnis des Einflusses der jeweiligen Wasserqualität eine verbesserte Einstellung der Kühlwirkung erreicht werden. Da sich die Qualität zeitlich ändert, soll basierend auf den Ergebnissen erstmalig eine Grundlage zur Regelung der Kühlwirkung entsprechend der Wasserqualität geschaffen werden.

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Das Forschungsziel besteht darin, die Temperaturverläufe der verschieden großen Feststoffpartikel, deren Zersetzungsverhalten sowie den Temperaturverlauf des Gases in Kalköfen berechnen zu können. Damit sollen der Einfluss der Korngrößenverteilung (mittlerer Durchmesser, Siebklasse), der Betriebsbedingungen (spezifischer Durchsatz, spezifischer Energieverbrauch, Luftzahl), der Art des Brennstoffs (Heizwert- und Luftbedarf, Verbrennungsgeschwindigkeit), der Art und Genese des Kalksteins (Wärmeleitfähigkeit, Reaktiosnkoeffizient, Porendiffusion, CO2-Gehalt) beschreibbar gemacht werden. Auf Grund der Vielzahl der Parameter sollen mit dem Program auf theoretischem Wege die Bedingungen ermittelt werden, mit denen die Qualität des Kalksteins verbessert und der Energieverbrauch verringert werden kann. Weiterhin soll mit dem Programm für unterschiedliche Brennstoffe die optimalen Kalkbrennbedingungen ermtitelt werden. Dadurch soll der Einsatz von preiswerten Sekundärbrennstoffen erleichert werden.Als innovativ wird angesehen, dass dadurch die Temperatur- und Zersetzungsverläufe im Ofen, die messtechnisch nicht ermittelbar sind, erstmalig beschrieben werden können. Dadurch kann erstmalig der Einfluss der Korngrößenverteilung und die Herkunft der Kalksteine auf den Brennprozess vorhergesagt werden.

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Mit einem komplexen thermomechanischen Modell werden für Abkühlvorgänge von Metallen die Temperatur, das Gefüge, die Härte, die Spannungen und der Verzug simuliert. Es wird gezeigt, wie durch eine definierte Einstellung des örtlichen Wärmeübergangs die Eigenschaften vergleichmäßigt und der Verzug minimiert werden kann.

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