Thermische Simulation

eines Thermoblocks

der Metrohm AG

in Zusammenarbeit mit

CADFEM (Suisse) AG

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Agenda

Einführung

Aufgabenstellung

Physikalische Grundlagen

Thermo-mechanische Kopplung

Methode, Modell

Ergebnisse, Bewertung, Nutzen

Know-How Transfer

Abschluss

+

Einführung: Metrohm / Rancimat

Die Metrohm AG in Herisau ist Entwickler und Hersteller von Elektro-

chemischen Messgeräten und Titriergeräten.

Ein Rancimat wird verwendet, um die Beständigkeit gegen Ranzigwerden zu

messen. Ranzig ist der Zustand in den Öle zerfallen u.a. durch Oxidation.

Probe wird geheizt und mit Luft angeblasen, die flüchtigen Stoffe werden zur

Analyse weitertransportiert. 2

Rancimat pH-Meter

Titration

Chromatographie

Voltammetrie

Einführung: CADFEM: FEM Software and Services

CAE Software – Seminars – Support – Consulting

CAE Software & Services

CADFEM

25+ years experience

140+ employees

€ 40 Mio. revenue

Central Europe: 12 offices

100+ ANSYS technical &

sales engineers

50+ different seminar

topics

Master of Engineering:

Applied Computational

Mechanics

Worldwide through

partners & TechNet

Alliance

Einführung: Heizblock

Der Heizblock heizt die zu untersuchenden Proben definiert auf.

Es muss klar sein, wie schnell die Probe aufgeheizt wird.

Die Temperatur muss anschliessend präzise gehalten werden.

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Einbauort Heizblock

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Metrohm hat Entwicklungsprojekt für Heizblock genutzt, um gleichzeitig

eine FE-Software für den Eigengebrauch zu evaluieren.

CADFEM (Vertreiber von ANSYS in DACH mit eigener

Consultingabteilung) wurde daher mit einem Aufgabenheft zur

thermischen Simulation des Heizblocks angefragt.

Anforderungen an den Heizblock und die Simulation:

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• Temperatur-Bereich: 50 bis 220°C, einstellbar in 1°C-Schritten

• Temperatur-Genauigkeit: Bereich 50...220°C: ± 0.3°C,

• Temperatur-Stabilität: ± 0.1°C (mind. über 24 h)

• Abschalt-Temperatur: 250°C (nach Möglichkeit einstellbar)

• Temperatur zw. Messplätzen: ± 0.3°C (a-d)

• Aufheizzeiten: für 120°C → 40 min, für 220°C → 60 min

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Aufbau

Rot/Blau verschiedene

Wärmequellenanordnungen

Übertragung an Probe über

Aluminium-Block

Aussen Isolation und

Gehäuse

Zu berechnen

Aufheizzeit

Leistung um Temperatur zu

halten bei 50°C, 100°C und

200°C

Vergleich der Ergebnisse für

die Anordnung der Heizung

unten oder seitlich

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Heizelement

Probe

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• Energie-Transport von einem Medium höherer Temperatur zu einem Medium

tieferer Temperatur

• Beispiel: Wärmeleitung in einem Stab

Arten der Wärmeübertragung – Heat Transfer

Wärmeleitung

(Thermal Conduction )

•(molecular activity)

Freie Konvektion (Free convection)

(macroscopic movement of molecule groups)

Strahlung (Radiation) energy transfer by

electromagnetic waves

Wärmequelle (Heat generation)

Physikalische Grundlagen

thermo-mechanische Kopplung mit ANSYS

Möglichkeiten:

starke (direkte) Kopplung auf Elementebene, thermische und Struktur-Gleichungen

werden gleichzeitig gelöst

Schwache (sequentielle) Kopplung mit einer thermischen und einer Strukturanalyse

die Daten austauschen und nacheinander (auch mehrmals) ablaufen.

Thermische Eigenschaften die von Struktur abhängen:

Druckabhängige Wärmeleitfähigkeit in Kontakten

Verformungsinduzierte Wärme

Struktureigenschaften die von Temperatur abhängen:

Materialeigenschaften (Elastitzitätsmodul, …)

Wärmeausdehnung

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Temperatur-

gleichungen

Struktur-

gleichungen

•Verschiebungen

•Kontaktdruck

•Verformungsarbeit

•Reibarbeit

•Temperaturen

Methode / Modell

Für das Heizelement wurde eine statische Strukturanalyse mit

Schraubenvorspannung durchgeführt, um Verteilung des

Anpressdrucks zu bestimmen.

Mit diesem Anpressdruck wurde die Leitfähigkeit des Kontaktes variiert.

(Entscheidung für sequentielle Einweg-Kopplung)

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Methode / Modell

Die Geometrie wurde aus dem CAD-System importiert.

Ein Viertel der Gesamtgeometrie wurde ausgeschnitten und in die

Simulation übernommen (Ausnutzen der Symmetrie um Modellgrösse

zu reduzieren).

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Methode / Modell

Definition der Materialparameter Wärmekapazität und –leitfähigkeit, wo relevant

temperaturanhängig

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Thermische Kontakte zwischen den Einzelteilen mit

Wärmeleitfähigkeit parametrisiert für

Sensitivitätsstudie. Abschätzung der

Wärmeleitfähigkeit über Formel von Yovanovitch, die

Wärmeleitfähigkeit der Materialien, Oberflächenrauheit

und Anpressdruck berücksichtigt.

Vernetzung mit wenigen Element-

Grösseneinstellungen, sonst automatisch.

Randbedingungen Konvektion, Wärmeerzeugung in

Heizelementen

P-Regler für Temperaturhaltesimulation über

Kommando-Sprache (APDL) implementiert. PID-Regler

auch möglich.

Ergebnisse: Aufheizverhalten

Der Vergleich Simulation - Messung ergibt sehr geringe Unterschiede

im Aufheizverhalten.

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45

65

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185

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Te

mp

era

tur

[°C

]

Zeit [s]

Vergleich Simulation vs. Messung

Simulation Messfühler

Simulation Probe Mitte

Simulation Probe Aussen

realer Wert MF Pt-100 Block [°C]

realer Wert GLP-Set mit Oel Ext. Sensor Mitte [°C]

Pos.

Regelungs-

Temp.sensor

Pos.

Validierungs-

Temp.sensor

Ergebnisse: Temperatur Halten / Regeln

Die Regelung hält die Temperatur am Messfühler im Bereich 50 bis

53°C

Die resultierende Probentemperatur schwankt zischen 49.5°C und 52°C

Um Überschiessen der Temperatur zu vermindern könnte Heizleistung

reduziert werden oder „schlauer“ geregelt werden.

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45

50

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0 500 1000 1500 2000

Tem

pera

tur

(°C

)

Zeit (s)

TEnde=50°C

Messfühler

Probe 1

Probe 2

Video

einfügen

Nutzen

Ergebnisse auch an Stellen, an denen nicht gemessen werden kann

Förderung physikalisches Verständnis

Nötige Halteleistungen für verschiedene Probentemperaturen konnten

bestimmt werden => Dimensionierung Heizung und Regelung

Berechnung von verbesserten Varianten ohne Prototypenbau

Probenabstand Reduktion

Gesamtabmess. Länge: -30mm, Breite: -20mm

Isolationsaufbau konnte optimiert werden

Herstellkosten reduziert: -40CHF / Gerät

Gewicht reduziert: -1.5kg / Gerät

Schnellere Aufheizzeit: 25min -5min =20min

Messungen am Prototypen bestätigen

Berechnungsergebnisse:

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Simulation Messung

Halteleistung für Probentemperatur 200°C 19W 19.7W

Manteltemperatur bei Probentemperatur 200°C 38°C 37°C

Aufwand

CADFEM 130h

11750 CHF exkl. Mwst

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Know-How Transfer

Resultate aus Simulation dienen der Bewertung der Softwareevaluation

Evaluation fliesst in reales Projekt ein, Resultate können aktuell

verwertet werden

CADFEM konnte Know-How aufbauen in Gebiet des Kunden

Anschliessende Einführung in die ANSYS Software und Ausbildung der

Metrohm Ingenieure war sehr praxisnah an Hand der gemachten

Erfahrungen aus dem Projekt.

Anschliessender technischer Support der Metrohm Ingenieure erfolgt

ebenfalls praxisnah.

Effizienter Einstieg in FEM Methode und Sicherheit die richtige

Entscheidung getroffen zu haben.

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

CAE Software – Seminars – Support – Consulting