Koeling- en verwarmingsoptimalisatie

Het thermische gedrag van een systeem kan soms een grote invloed hebben op de levensduur van aandrijftechniek. De analyse is vaak complex vanwege de stroming rond de structuur in combinatie met het effect van bewegende delen. 3D-berekeningen van het thermische gedrag van een dergelijk systeem kunnen daardoor gecompliceerd en tijdrovend worden, terwijl de nauwkeurigheid van dit soort berekeningen soms onzeker is. In dergelijke situaties kan het efficiënt zijn om analytische 1D- of 2D-berekeningen uit te voeren in Mathcad of Python, en complexe convectie-, geleiding- of stralingsproblemen te vertalen in bekende empirische relaties. De illustratie geeft een voorbeeld van een dergelijke benadering in het geval van een voortstuwer. Warmteoverdracht en temperatuuropbouw in de voortstuwer zorgde voor inzicht op het gebied van de beste oilie-viscositeit en geschikte koelingsmethodes.

Naast het uitvoeren van analytische berekeningen simuleert Huygens Engineers stationaire en niet-stationaire temperatuurprofielen in vaste stoffen. Aangezien warmte dan wordt overgedragen door (slechte) geleiding, vragen toepassingen zoals spuitgieten actieve koeling. Het loont temperatuurcycli goed in kaart te brengen en dit gebeurt door thermische simulaties.

De thermische geleiding binnen één model kan sterk variëren zijn en hoeft bovendien niet constant te zijn over het gehele temperatuurbereik. Bijvoorbeeld, in het geval van plastic spuitgieten zal een stalen mal de warmte veel sneller geleiden dan het plastic product. Voor organische materialen, zoals vlees, zijn variërende thermische eigenschappen heel gebruikelijk. Vries- en kookeffecten van het water- en vetgehalte beïnvloeden de specifieke warmte en de mate van geleiding. De figuur toont een voorbeeld van koeling in een vleesproduct met een lage thermische geleiding en een video van koeling in een gietvorm met een hoge geleidingscoëfficiënt.

In convectie georiënteerde projecten bepaalt Huygens Engineers convectiecoëfficiënten door gedetailleerde simulatie, validatie en meting van elementen in een stroom.

Een specifiek fenomeen met betrekking tot cyclisch koelen is thermische schok en de daarbij behorende spanning in het materiaal. Een sensor die gebruikt wordt in een omgeving die cyclisch snelle temperatuurstijgingen van -30 °C tot 60 °C haalde de levensduurdoelen niet.

Simulatie in ANSYS Transient Thermal toonde aan dat twee effecten interne spanning veroorzaakten die ervoor zorgden dat de spanning tijdens de cyclus de acceptabele limieten overschreed. Het eerste effect is een verschil in thermische expansie als gevolg van de vertraagde verspreiding van de temperatuur, die op zijn beurt wordt veroorzaakt door de lage thermische geleiding van roestvaststaal. Het tweede effect is een groot verschil in thermische expansiecoëfficiënten (bijna met een factor 2) tussen austenitisch roestvrijstaal, gebruikt in de behuizing, en precipitatie uithardend roestvrijstaal, toegepast in het element met rekstrookjes. De video toont een visualisatie van deze thermische schok.

Soms is programmeren de meest logische weg. Zo heeft Huygens Engineers ervaring opgedaan met het simuleren van cyclische tweedimensionale koeling van trommelmotoren in interactie met een aangedreven band.

Trommelmotoren koelen af door cyclisch contact van delen van de trommel met de band. De cycli van het oppervlak van de drummotor en van de band stabiliseren na verloop van tijd in vaste cyclus. Het plastic van de band is een slechte warmtegeleider, en het bandmateriaal mag niet worden blootgesteld aan temperaturen waar sterkte onder minimumwaarden daalt.

Huygens Engineers heeft een 2D finite-difference Python-simulatie voor deze toepassing ontwikkeld voor gebruik bij engineering van toepassingen in warme omgevingen. De onderstaande figuur toont het resulterende gediscretiseerde numeriek model in Python.

Naast geleiding en convectie is straling een belangrijke vorm van energietransport. De figuur toont een ANSYS-simulatie van warmtestraling van infrarode (IR) verwarmingselementen naar een kunststof onderdeel. Dit specifieke proces wordt door een van onze klanten gebruikt om delen van de geometrie lokaal gecontroleerd te verwarmen. Door IR-absorptiemetingen op het materiaal uit te voeren kon Huygens Engineers de warmteabsorptie van het kunststof-materiaal nauwkeurig voorspellen. De figuur toont een simulatie van stralingsverwarming van kunststof.

Terug naar overzicht >