In der sogenannten klassischen Physik werden die Teilbereiche Mechanik, Akustik, Optik und Wärmelehre unterschieden. In diesen Teilbereichen sind oftmals Beobachtungen bereits mit menschlichen Sinnen möglich. Die klassische Physik wurde ab dem 17. bis zum 19. Jahrhundert von Isaac Newton stark geprägt. Im 20. Jahrhundert wurde die sogenannte moderne Physik durch die Arbeiten von Albert Einstein (Relativitätstheorie), Erwin Schrödinger und Werne Heisenberg (Quantentheorie) begründet. Mit ihren wissenschaftlichen Arbeiten haben sowohl Newton als auch Einstein die jeweils vorherrschenden Weltbilder maßgeblich beeinflusst (vgl. Grotz, 2018, S. 1).
Die Wärmelehre, genauer die thermodynamischen Systeme bilden den Rahmen dieses Assignments. Ziel dieser Arbeit ist es, das Aufheizen eines Werkstücks in einem Glühofen zu simulieren. Im Rahmen dieser Simulation wird auf die Ergebnisse und Prämissen von Scherf aus seinem Buch „Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme“ zurückgegriffen. Hierbei erfolgt keine eigene Herleitung, vielmehr wird sie von Scherf direkt übernommen. Es gilt die Differenzialgleichungen aufzustellen sowie das zugehörige Blockschaltbild in MATLAB-Simulink® abzubilden. Mittels dieses Blockschaltbildes gilt es dann, zwei der sechs fest definierten Parameterwerte innerhalb realistischer Wertebereiche zu variieren und für die verschiedenen Wertekombinationen Simulationen durchzuführen, diese grafisch darzustellen sowie jeweils die Temperaturveränderung im Werk-stück mit der Zeit zu untersuchen. Anhand dieser Ergebnisse lassen sich Schlussfolgerungen für das möglichst schnelle bzw. für das möglichst langsame Aufheizen ziehen, welche es abschließend zu diskutieren gilt.
Nach dem einleitenden Kapitel 1 folgt in Kapitel 2 eine Annäherung an das Thema Thermodynamik sowie die thermodynamischen Systeme. Im dritten Kapitel werden die Differenzialgleichungen für den Aufheizvorgang sowie das Blockschaltbild dargestellt. Zum Ende des dritten Kapitels erfolgt die eigentliche Simulation mit der Variation der beiden ausgewählten Parameter. Im abschließenden vierten Kapitel werden die Ergebnisse der Simulation dargestellt und bewertet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Zielsetzung
1.2. Aufbau der Arbeit
2. Grundlagen
2.1. Einführung Thermodynamik
2.2. Thermodynamische Systeme
3. Simulation des Aufheizens eines Werkstückes in einem Glühofen
3.1. Aufstellen der Differenzialgleichung
3.2. Aufbau des Blockschaltbildes
3.3. Simulation der Werkstücktemperatur
3.4.1. Veränderung der Werkstückoberfläche
3.4.2. Veränderung der spezifischen Wärmekapazität
4. Schlussfolgerung der Simulationsergebnisse
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die rechnergestützte Simulation des Aufheizvorgangs eines Werkstücks in einem Glühofen unter Anwendung thermodynamischer Grundlagen und der Modellierung in MATLAB Simulink, um den Einfluss von Parametern auf die Aufheizdauer zu analysieren.
- Simulation thermodynamischer Systeme
- Aufstellen von Differenzialgleichungen für Wärmeprozesse
- Modellbildung in MATLAB Simulink
- Analyse des Einflusses der Werkstückoberfläche
- Untersuchung des Einflusses der spezifischen Wärmekapazität
Auszug aus dem Buch
3.1. Aufstellen der Differenzialgleichung
Zu Beginn des Aufstellens der Differenzialgleichung legt man einen Kontrollraum um das Werkstück und stellt eine Leistungsbilanz für diesen Kontrollraum auf (siehe Abb. 3).
Die Leistungsbilanz (1.1) für den Kontrollraum lautet: „Die Differenz zwischen der zugeführten Leistung Pzu und der abgeführten Leistung Pab führt zu einer zeitlichen Änderung des thermischen Energiegehaltes dEth/dt des Werkstückes.“ (Scherf, 2010, S. 86).
Die auf das Werkstück übertragene Wärmeleistung ist Pzu (1.2), diese ist proportional zum treibenden Temperaturgefälle vG - vW zwischen Ofen und Werkstück. Das Produkt aus dem Wärmeübergangskoeffizient a und der wärmetauschenden Oberfläche A ist der Proportionalitätsfaktor (vgl. Scherf, 2010, S. 86).
Die abgeführte Wärmeleistung ist gleich null, da der Strahlungsaustausch nicht berücksichtigt werden soll. Der thermische Energiegehalt Eth (1.3) des Werkstückes ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Werkstücktemperatur vW und einer beliebigen Bezugstemperatur v0 (vgl. Scherf, 2010, S. 86).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel definiert den Rahmen der Arbeit, benennt die Zielsetzung der Simulation des Aufheizens eines Werkstücks und erläutert den Aufbau der Untersuchung.
2. Grundlagen: Hier werden die theoretischen Basisinformationen zur Thermodynamik sowie die Definition thermodynamischer Systeme vermittelt.
3. Simulation des Aufheizens eines Werkstückes in einem Glühofen: Dieser Hauptteil widmet sich der mathematischen Herleitung, der Erstellung des Blockschaltbildes sowie der Durchführung der Simulation unter Variation spezifischer Parameter.
4. Schlussfolgerung der Simulationsergebnisse: Im abschließenden Kapitel werden die gewonnenen Daten interpretiert und Handlungsempfehlungen für schnelle beziehungsweise schonende Aufheizvorgänge abgeleitet.
Schlüsselwörter
Thermodynamik, Glühofen, Werkstücktemperatur, Simulation, MATLAB Simulink, Differenzialgleichung, Aufheizvorgang, Wärmeübergangskoeffizient, spezifische Wärmekapazität, Systemanalyse, Energiebilanz, Aufheizzeit, Modellbildung, Wärmeleistung, Parametervariation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Modellbildung und Simulation des thermischen Verhaltens eines Werkstücks bei der Erwärmung in einem Glühofen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die klassische Thermodynamik, die mathematische Beschreibung physikalischer Systeme mittels Differenzialgleichungen und deren numerische Umsetzung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, durch Parametervariation in MATLAB Simulink zu untersuchen, wie sich Werkstückoberfläche und spezifische Wärmekapazität auf die Zeitdauer des Aufheizvorgangs auswirken.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine modellbasierte Simulationstechnik unter Verwendung von MATLAB Simulink genutzt, basierend auf den theoretischen Vorgaben von Scherf.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Leistungsbilanzierung, das Aufstellen der Differenzialgleichungen, den Aufbau des Blockschaltbildes und die Durchführung der Simulationsreihen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Thermodynamik, Simulation, MATLAB Simulink, Differenzialgleichung und Parametervariation charakterisiert.
Warum wird in der Simulation der Strahlungsaustausch vernachlässigt?
Die Vereinfachung erfolgt gemäß der Aufgabenstellung nach Scherf, um den Fokus auf die Wärmeübertragung durch Konvektion zu legen und das Modell übersichtlich zu halten.
Welchen Einfluss hat die Werkstückoberfläche auf die Aufheizzeit?
Die Simulation zeigt, dass eine Verkleinerung der Oberfläche zu einer längeren Aufheizzeit führt, da weniger Wärme pro Zeiteinheit übertragen werden kann.
Wie lässt sich ein Werkstück möglichst schonend aufheizen?
Um Risse zu vermeiden, empfiehlt die Arbeit eine Form mit geringer Oberfläche und einen Werkstoff mit hoher spezifischer Wärmekapazität, was den Aufheizvorgang verlangsamt.
- Arbeit zitieren
- Alena Knaus (Autor:in), 2018, Aufheizen eines Werkstücks in einem Glühofen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/426502
