Thermal modelling of revolving steel belts

Abstract

In dieser Arbeit wird das thermische Verhalten von umlaufenden Stahlbändern untersucht, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Induktionserwärmung liegt. Diese Systeme spielen eine entscheidende Rolle in industriellen Anwendungen wie der Lebensmittelverarbeitung, der chemischen Produktion oder der Papierherstellung.Zur Analyse des thermischen Verhaltens werden numerische Simulationen auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Die Herausforderung besteht darin, die gekoppelte Interaktion von elektromagnetischen, mechanischen und thermischen Feldern effizient zu modellieren, um Temperaturverteilungen und Verformungsmuster vorherzusagen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der Bewegung und Verformung des Bandes und dem Temperaturfeld.Durch die Lösung der Laplace-Gleichung für das Geschwindigkeitspotenzial wird ein Korrekturansatz zur Verfeinerung der Geschwindigkeitsfelder in deformierten Blechen verwendet. Darüber hinaus wird eine praktische Methode zur Fehlerabschätzung vorgeschlagen, um durchschnittliche Temperaturfehler vorherzusagen, ohne dass explizite Lösungen des korrigierten und unkorrigierten Problems erforderlich sind.Eine Parameterstudie an einem zweidimensionalen (2D) Modell quantifiziert den Einfluss von Verformung und Geschwindigkeit auf Temperaturfehler, wobei die Ergebnisse durch eine vollständig gekoppelte dreidimensionale (3D) Simulation unter Einbeziehung von elektromagnetischer Erwärmung, mechanischer Verformung und Wärmeleitung validiert werden. Die Ergebnisse zeigen den Einfluss von Geschwindigkeitskorrekturen auf das Temperaturfeld.

This thesis investigates the thermal behavior of revolving steel belts, with a special emphasis on induction heating. These systems play a critical role in industrial applications such as food processing, chemical manufacturing, or paper production.To analyze the thermal effects, numerical simulations based on the finite element method (FEM) are employed. The primary challenge lies in efficiently modeling the coupled interaction of electromagnetic, mechanical, and thermal fields to predict temperature distributions and deformation patterns. The focus of this work lies in the investigation of the influence of a belt's motion and deformation on the temperature field.By solving Laplace's equation for the velocity potential, a correction approach is used to refine velocity fields in deformed sheets. Additionally, a practical error estimation method is proposed to predict average temperature errors without the need for explicit solutions of the corrected and uncorrected problem.A parameter study on a two-dimensional (2D) model quantifies the influence of deformation and speed on temperature errors, with findings validated through a fully coupled three-dimensional (3D) simulation incorporating electromagnetic heating, mechanical deformation, and thermal conduction. The results demonstrate the impact of velocity corrections on thermal accuracy.