Karl-Georg FeyUntersuchung der Erstaufheizung von Feuerfestbeton und Entwicklung einer verbesserten Aufheizstrategie | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISBN: | OND-00000-0000182 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Reihe: | Ingenieurwissenschaften (Bauingenieur, Maschinenbau, Architektur,...) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schlagwörter: | Feuerfestbeton; Beton; feuerfest; Trocknung; Erstaufheizung; Inbetriebnahme; Industrieofen; Wärme- und Stofftransport; Optimierung; Modellierung; Drucksensor; Ofenwand; Porendruck; Permeabilität; Dampfdruck | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Publikationsart: | Dissertation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sprache: | Deutsch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Seiten: | 170 Seiten | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Abbildungen: | 137 Abbildungen | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Format: | Online-Publikation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Preis: | 39,95 € | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Erscheinungsdatum: | Oktober 2015 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DOI: | 10.2370/OND000000000182 (Online-Gesamtdokument) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Zusammenfassung: | Industrieöfen sind häufig mit Feuerfestbeton ausgekleidet. Während der Erstaufheizung der Öfen verdampft das im feuchten Beton befindliche Wasser. Aufgrund der niedrigen Permeabilität des Betons kann der entstehende Wasserdampf nur sehr schwer entweichen. Hohe Dampfdrücke im Inneren des Betons, die bis zu dessen explosionsartiger Zerstörung führen können, sind die Folge dessen. Um dies zu unterbinden, erfolgt die Erstaufheizung entsprechend der vom Betonhersteller vorgeschriebenen Aufheizkurve. Zur Vermeidung von Dampfexplosionen schreiben diese empirisch entwickelten Aufheizkurven eine langsame Erwärmung des Ofens über mehrere Tage bis Wochen vor. In der vorliegenden Arbeit wird der Wärme- und Stofftransport im Inneren des Betons während dessen Erstaufheizung numerisch und experimentell untersucht. Weiterhin wird eine Möglichkeit aufgezeigt, wie die Erstaufheizung schneller bei zugleich niedrigeren Dampfdrücken durchgeführt werden kann.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Einblick in die Thematik der nichtisothermen Trocknung pöroser Medien gegeben. In Zusammenhang damit stehende Transportprozesse, Stoffeigenschaften, Modelle und Laborexperimente werden vorgestellt und diskutiert. Dabei liegt der Fokus auf der Trocknung von feuchtem Beton. Die in der Literatur beschriebenen Modelle zur Simulation des Wärme- und Stofftransportes im Inneren von Beton unterscheiden sich hauptsächlich im Detail sowie bezüglich der berücksichtigten Transportprozesse voneinander. Die wenigen Modelle, die sich explizit mit der Simulation der Erstaufheizung von Feuerfestbeton beschäftigen, sind gegenüber dem aktuellen Stand der Forschung vereinfacht. Auf Seiten der experimentellen Untersuchung der Druckentwicklung wird in den meisten Veröffentlichungen der Versuchsaufbau und die Messtechnik von Kalifa et al. verwendet. Die damit während der Trocknung von Betonproben gemessenen Druckentwicklungen sind jedoch nur selten reproduzierbar. Werden die in der Literatur beschriebenen Modelle mit experimentell gewonnenen Daten verglichen so zeigt sich, dass Experiment und Simulation bereits in einer Entfernung von nur wenigen Zentimetern zur beheizten Betonoberfläche deutlich voneinander abweichen. Im darauf folgenden Kapitel der Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Wärme- und Stofftransportes während der Erstaufheizung von feuchtem Feuerfestbeton vorgestellt. Im Anschluss daran werden die Modellgleichungen unter Zuhilfenahme der Finiten Differenzen Methode numerisch gelöst. Am Beispiel einer einschichtigen, ebenen Wand werden die während einer Erstaufheizung auftretenden physikalischen Phänomene erläutert. Obwohl die Wand einseitig von links erwärmt wird, bilden sich an beiden Wandoberflächen Verdampfungsfronten aus, die im Laufe der Aufheizung tiefer ins Innere der Wand wandern. Das bei höheren Temperaturen freigesetztechemisch gebundene Wasser beeinflusst die Höhe des Druckmaximums nur unwesentlich. Die Identifikation sensitiver Stoffeigenschaften offenbart die Wärmeleitfähigkeit und die Permeabilität des Betons als einflussreichste Größen und erweitert das physikalische Verständnis über den Trocknungsprozess. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird das Modell erweitert, um die Erstaufheizung mehrschichtiger Wände verschiedener Materialien zu simulieren. Bei der Trocknung mehrschichtiger Wände treten mehrere Verdampfungsfronten auf. Diese beginnen sowohl an den Oberflächen der Wand als auch an den Grenzflächen der verschiedenen Schichten (Feuerfestbeton, Dämmbeton, Dämmsteine) und bewegen sich anschließend – teilweise in entgegengesetzter Richtung – tiefer und tiefer in die jeweilige Schicht hinein. Die Druckmaxima liegen jedoch weiterhin im Inneren des Feuerfestbetons. Die Erweiterung des Modells um eine räumliche Dimension zeigt die Besonderheiten der Trocknung zweidimensionaler Ecken und Kanten. Bei identischen Aufheizkurven und Wandstärken herrscht in Kanten ein etwas höherer Maximaldruck verglichen mit ebenen Wänden. Im Gegensatz zu Kanten, welche nur unwesentlich schneller trocknen als Wände, benötigen Ecken eine erheblich längere Trockenzeit. Im nächsten Kapitel der Arbeit werden optimierte Aufheizkurven vorgestellt. Sie erlauben eine Erstaufheizung ohne die Überschreitung eines festzulegenden Grenzdruckes. Während der Erstaufheizung bewirkt die optimierte Aufheizkurve, dass der Maximaldruck im Inneren des Betons über mehrere Stunden hinweg dem gewählten Grenzdruck entspricht. Die Trocknung des Betons erfolgt dabei umso schneller, je höher der Grenzdruck gewählt wird. Verglichen mit der Aufheizkurve des Herstellers konnte die Erstaufheizung des Betons A im Laborversuch um 35,7% verkürzt werden. Der Maximaldruck reduzierte sich dabei gleichzeitig um 37,5%. Das vorletzte Kapitel der Arbeit widmet sich der experimentellen Bestimmung der Temperatur- und Druckverteilungen im Inneren eines trocknenden Feuerfestbetons. Hierzu wurde ein neuer, preiswerter und zuverlässiger Drucksensor entwickelt. Die damit im Laborversuch gemessenen Druckverläufe sind reproduzierbar. Im letzten Kapitel wird, basierend auf den Messdaten zahlreicher Laborexperimente und einiger großtechnischer Versuche, das Verfahren der optimierten Erstaufheizung sowie das Modell der einschichtigen Wand, erfolgreich validiert. |