Die vorliegende Arbeit untersucht den Einsatz einer induktiven Längsfelderwärmung im Wärmebehandlungsprozess der direkten Warmumformung automobiler Karosserieblechbauteile. Zur Charakterisierung des Erwärmungsvorgangs werden sowohl experimentbasierte Regressionsmodelle als auch ein FEM-Simulationsmodell entwickelt. Der Einfluss der induktiven Erwärmung auf die Ausbildung der AlSi-Beschichtung, die Widerstandspunktschweißbarkeit so-wie die Korrosionsbeständigkeit gefertigter Blechbauteile wird dargelegt. Abschließend wird ein Anlagenkonzept entwickelt, das durch den Einsatz der induktiven Längsfelderwärmung eine Verringerung der Erwärmungsdauer um etwa 50 % sowie eine Verkürzung der erforderlichen Ofenlänge um etwa 37 % ermöglicht.:Kurzzeichenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Warmumformung 2.1.1 Begriffe und Einordnung 2.1.2 Werkstofftechnische Grundlagen der Warmumformung 2.1.3 Platinenwerkstoffe und -beschichtungen 2.1.4 Erwärmungstechnologien in der Serienproduktion 2.2 Induktive Erwärmung 2.2.1 Begriffe und Einordnung 2.2.2 Physikalische und werkstofftechnische Einflüsse 2.2.3 Induktive Erwärmung von Bandmaterial 2.2.4 Induktive Erwärmung von Formplatinen für die Warmumformung 3 Aktuelle und zukünftige technologische Anforderungen an die Erwärmungstechnik in der Warmumformung 4 Problemstellung 5 Versuchsanlage zur induktiven Erwärmung von Formplatinen 6 Entwicklung eines mathematischen, experimentbasierten Modells der induktiven Erwärmung von Rechteckplatinen 6.1 Systembeschreibung 6.2 Methode 6.3 Validierung 6.4 Charakterisierung wesentlicher Einflussgrößen in Bezug auf erreichte Platinentemperaturen und Wirkungsgrade 7 Entwicklung eines FEM-Simulationsmodells der induktiven Erwärmung von Formplatinen 60 7.1 Geometrie 7.2 Elektromagnetisches Modul 7.3 Thermisches Modul 7.4 Vernetzung 7.5 Kopplung der Module 7.6 Validierung 8 Entwicklung eines Anlagenkonzepts zum Einsatz der induktiven Erwärmung für die Serienfertigung von Warmumformbauteilen 8.1 Methoden zur Definition von Betriebsparametern 8.2 Induktive Erwärmung von Formplatinen warmumgeformter Bauteile eines PKWs in Serienfertigung 8.3 Dünnblech-Warmumformung und Tailor-Rolled-Blanks 8.4 Entwicklung eines Prozessfensters auf Basis von im automobilen Fertigungsprozess relevanten Bauteileigenschaften 8.5 Konzeptionierung einer Erwärmungslinie für die Serienproduktion von warmumgeformten Karosseriebauteilen 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literaturverzeichnis 11 Anlagen / The present thesis investigates the usage of longitudinal induction heating in the austenitization process of direct press hardening. In order to describe the induction heating procedure, experiment-based regression models as well as a FEM model are developed. The influence of an induction heating process on the properties of press hardened parts with aluminum-silicon coating is depicted. Therefore, resistance spot welding tests, paint adhesion tests and corrosion tests are performed. Finally, a heating concept for series production including a longitudinal induction heating is developed, which allows a decrease in heating time of about 50 % and a reduction of furnace length of about 37 %.:Kurzzeichenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Warmumformung 2.1.1 Begriffe und Einordnung 2.1.2 Werkstofftechnische Grundlagen der Warmumformung 2.1.3 Platinenwerkstoffe und -beschichtungen 2.1.4 Erwärmungstechnologien in der Serienproduktion 2.2 Induktive Erwärmung 2.2.1 Begriffe und Einordnung 2.2.2 Physikalische und werkstofftechnische Einflüsse 2.2.3 Induktive Erwärmung von Bandmaterial 2.2.4 Induktive Erwärmung von Formplatinen für die Warmumformung 3 Aktuelle und zukünftige technologische Anforderungen an die Erwärmungstechnik in der Warmumformung 4 Problemstellung 5 Versuchsanlage zur induktiven Erwärmung von Formplatinen 6 Entwicklung eines mathematischen, experimentbasierten Modells der induktiven Erwärmung von Rechteckplatinen 6.1 Systembeschreibung 6.2 Methode 6.3 Validierung 6.4 Charakterisierung wesentlicher Einflussgrößen in Bezug auf erreichte Platinentemperaturen und Wirkungsgrade 7 Entwicklung eines FEM-Simulationsmodells der induktiven Erwärmung von Formplatinen 60 7.1 Geometrie 7.2 Elektromagnetisches Modul 7.3 Thermisches Modul 7.4 Vernetzung 7.5 Kopplung der Module 7.6 Validierung 8 Entwicklung eines Anlagenkonzepts zum Einsatz der induktiven Erwärmung für die Serienfertigung von Warmumformbauteilen 8.1 Methoden zur Definition von Betriebsparametern 8.2 Induktive Erwärmung von Formplatinen warmumgeformter Bauteile eines PKWs in Serienfertigung 8.3 Dünnblech-Warmumformung und Tailor-Rolled-Blanks 8.4 Entwicklung eines Prozessfensters auf Basis von im automobilen Fertigungsprozess relevanten Bauteileigenschaften 8.5 Konzeptionierung einer Erwärmungslinie für die Serienproduktion von warmumgeformten Karosseriebauteilen 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literaturverzeichnis 11 Anlagen

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. / The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.

A heating technology was combined with forming processes to enlarge the formable channel depth of metallic bipolar plates in two process routes. To apply a rapid heating process, electrical resistance heating was chosen and integrated into a forming tool. With a hot forming as well as a two-stage forming process with annealing, two different process routes are presented. According to the results, the technology of resistance heating is well suited for the improvement of the formable channel depth. For both process routes, an increase in forming depth was demonstrated. In hot forming, the channel depth could be improved by up to 50% depending on geometrical parameters of the tool as well as the state of temperature of the sheet. / Zur Vergrößerung der umformbaren Kanaltiefe von metallischen Bipolarplatten wurde eine Erwärmungstechnologie mit dem Umformprozess kombiniert. Zur Anwendung eines schnellen Erwärmungsprozesses wurde die elektrische Widerstandserwärmung gewählt und in ein Umformwerkzeug integriert. Mit der Warmumformung sowie einem zweistufigen Umformprozess mit Zwischenglühen wurden zwei unterschiedliche Prozessrouten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie der Widerstandserwärmung für eine Verbesserung der umformbaren Kanaltiefe geeignet ist. Für beide Prozessrouten konnte eine Erhöhung der Umformtiefe nachgewiesen werden. Bei der Warmumformung konnte die Kanaltiefe in Abhängigkeit der geometrischen Parameter des Werkzeugs sowie des Temperaturzustands des Blechs um bis zu 50% verbessert werden.

Eastern Africa has experienced strong climatic changes since the last deglaciation (15 000 years ago). The driving mechanisms and teleconnections of these spatially complex climate variations are yet not fully understood. Although previous studies on lake systems have enhanced our knowledge of Holocene precipitation variation in eastern Africa, relatively few studies have reconstructed the terrestrial temperature history of eastern Africa from lake archives. Here, we present (i) a new branched glycerol dialkyl glycerol tetraether (brGDGT) temperature calibration that includes Bale Mountains surface sediments and (ii) a quantitative record of mean annual air temperature (MAT) over the past 12 ka cal BP using brGDGTs in a sediment core collected from Garba Guracha (3950ma.s.l.) in the Bale Mountains. After adding Bale Mountains surface sediment (n = 11) data (Baxter et al., 2019) to the existing East African lake dataset, additional variation in 6-methyl brGDGTs was observed, which necessitated modifying the MBT'5ME calibration (MBT denotes methylation of branched tetraethers) by adding 6-methyl brGDGT IIIa0 (resulting in the MBT Bale Mountains index, r² = 0:93, p < 0:05). Comparing the MBT'5ME and the new MBT Bale Mountains index, our high-altitude Garba Guracha temperature record shows that warming occurred shortly after the Holocene onset when the temperature increased by more than 3.0°C in less than 600 years. The highest temperatures prevailed between 9 and 6 ka cal BP, followed by a temperature decrease until 1.4 ka cal BP. The reconstructed temperature history is linked to supraregional climatic changes associated with insolation forcing and the African Humid Period (AHP), as well as with local anomalies associated with catchment deglaciation and hydrology.

Europa erlebte in den letzten 20 Jahren einige sehr heiße und trockene Sommer mit regionalen Rekordwerten heißer Temperaturen oder geringer Niederschlagssummen. In anderen Jahren führten Starkregen zu Überflutungen unterschiedlichen räumlichen Ausmaßes. Da solche Extremereignisse mit vielfältigen negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft, natürliche Ökosysteme und verschiedene Wirtschaftssektoren verbunden sind, ist die langzeitliche Veränderung in ihrem Auftreten im Rahmen der globalen Erwärmung von großer Bedeutung. Konzepte: Maßgeblich für die Qualität von Klimawandel(folgen)studien ist die Verfügbarkeit und Qualität von Daten. Daher werden Konzepte für die Sicherstellung einer zuverlässigen und vergleichbaren Datenbasis entwickelt. Für die Beschreibung der Eigenschaften eines bestimmten Ereignisses existiert eine Vielzahl an Definitionen und Indizes, was zu unterschiedlichen Ergebnissen von Studien führen kann, welche die zeitlichen Veränderungen der Charakteristik solcher Ereignisse analysieren. Die Integration einer Reihe von Indizes in einen aggregierten Index ermöglicht eine robustere Bewertung der Klimabedingungen und Trends. Die Vergleichbarkeit von Klimafolgenbewertungen verlangt zudem die Verwendung eines gemeinsamen Analyserahmens sowie abgestimmter Datensätze (Beobachtungsdaten, Klimaprojektionen) und Methoden (z.B. Untersuchungszeiträume, Ensemble-Ansatz, Qualitätsbewertung, Korrekturalgorithmen, Impactmodelle und -indizes, Elemente der Klimafolgen- oder Risikoanalyse). Trends: Sommerliche Trockenheit hat über weiten Teilen Europas – mit Ausnahme des Nordens – zugenommen. Besonders stark zugenommen haben die Dürrebedingungen im Sommerhalbjahr für Indizes, welche die Evapotranspiration einbinden. Der reine Fokus auf den Niederschlag zur Bewertung von Dürre in verschiedenen Speichern des Wasserkreislaufs ist unzureichend. Neben dieser beobachteten Zunahme in der Sommertrockenheit, ist auch für die Intensität von Starkniederschlagsereignissen und ihrem Anteil am Gesamtniederschlag ein Anstieg über Europa zu beobachten. Verschiedene Stationen in Mitteleuropa zeigen für das Sommerhalbjahr gleichzeitige Anstiege in den Dürrebedingungen und Starkniederschlägen, was die mit solchen Niederschlagsextremen verbundenen Folgen und Risiken erhöht. Folgen: Viele Sektoren sind durch die Folgen des Klimawandels und extreme Wettereignisse negativ betroffen, so auch das Verkehrssystem. Dessen Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit ist von hoher Bedeutung für die Gesellschaft (Mobilität) und Wirtschaft (Waren, Transportketten). Extreme Wettereignisse wie Hitzewellen, Überschwemmungen, Dürren, Stürme und Sturmfluten können Unfälle und Staus verursachen, die Infrastrukturen beschädigen und damit Transportketten unterbrechen sowie zu Verspätungen und Ausfällen führen. Die Verkehrsträger sind dabei in unterschiedlicher Weise und Intensität betroffen. Um die Klimawandelfolgen für das Bundesverkehrssystem zu bewerten und Anpassungsbedarfe zu priorisieren wurde ein methodischer Rahmen für die Durchführung von Klimawirkungsanalysen entwickelt. Ergänzt werden diese nationalen Analysen durch Klimafolgenstudien für die UNECE-Region (UNECE: Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen). Zielgerichtete Klimadienstleistungen, welche die Bedarfe der Anwendenden integrieren, sind eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung praktikabler Anpassungsoptionen.:Abstract 1 Zusammenfassung 2 1. Research topic and questions addressed 3 2. Outline and structure of this thesis 6 3. Concepts – How to evaluate changes in heat, drought and wetness? 11 3.1 How to define drought? 11 3.2 How to measure changes in (extreme) temperature and precipitation? 11 3.2.1 Applying established climate indices 11 3.2.2 Developing new indices to measure drought and wetness 12 3.2.3 Assessing extreme events and their impacts 14 3.3 How to ensure good quality climate data sets? 15 3.3.1 Separating climate variability from changes in non-climatic parameters 15 3.3.2 Regionalizing climate information 15 3.3.3 Adjusting biases in climate projections 16 3.4 How to ensure comparable results of climate impact assessments? 17 3.4.1 Agreeing on common assumptions and scenarios 17 3.4.2 Applying an ensemble analysis approach 17 3.4.3 Implementing a common analysis framework for impact assessment 18 4. Changes – Which variations are seen in the regional climate? 20 4.1 Variations and changes in the average climate – temperature and precipitation 20 4.1.1 Changes in wet and dry periods over Europe 20 4.1.2 Observed and projected temperature and precipitation trends over Germany 21 4.1.3 Observed climatic changes in North-eastern Brazil (NEB) 21 4.1.4 Observed precipitation variations in the Palestinian territories and surrounding areas 22 4.2 Extreme weather and climate events: spatio-temporal variations and trends 22 4.2.1 Increases in temperature extremes and heatwaves 22 4.2.2 Characteristics of and changes in heavy precipitation 23 4.2.3 Temporal variations in meteorological drought conditions 26 4.2.4 Drought and heavy precipitation 28 4.3 Characterising selected record hot and dry summers 30 4.3.1 The five record drought summers in Europe – 1947, 2018, 2003, 1921 and 1911 30 4.3.2 The summer of 2018 31 4.3.3 The summer of 2015 32 4.3.4 Recent hot and dry summers in Germany in comparison to climate projections 33 5. Consequences – Which climate impacts do we have to expect and how to adapt to them? The case of the transport system 35 5.1 Relevance of climate change considerations for the transport system 35 5.2 Networks supporting the development of climate resilient transport systems 35 5.2.1 BMDV Network of Experts on Climate Change Impacts and Adaptation 36 5.2.2 DAS core service “climate and water” 37 5.2.3 UNECE Group of Experts on Assessment of Climate Change Impacts and Adaptation for Inland Transport 38 5.3 Climate change impact analysis for the transportation sector 39 5.3.1 Methodology of the integrated climate impact assessment 39 5.3.2 Exemplary results of the exposure analysis 40 5.3.3 Integrated climate impact assessment 40 5.4 Stress testing the transport system 41 5.4.1 The stress test methodology 41 5.4.2 Exemplary results of the traffic simulations 41 5.5 Developing an adaptation framework and specific measures 42 5.5.1 Background and classification of adaptation measures 42 5.5.2 Information and consultation services 42 5.5.3 Reviewing and revising technical guidelines and standards 43 5.5.4 Structural adaptation measures 43 5.5.5 Adapting management practices of transportation infrastructure 43 5.5.6 Adapting the operative management of traffic flows 44 5.5.7 Survey results on suitable adaptation measures 44 6. Conclusions 45 6.1 Concepts 45 6.2 Changes 45 6.3 Consequences 46 7. References 48 / Over the last 20 years, some very hot and dry summers affected Europe, regionally resulting in record breaking high temperature or low precipitation values. In other years, torrential rains led to flood events at different spatial scales. Long-term changes of such extreme events within a warming world are of great relevance, as they are connected with manifold negative impacts on human society, natural ecosystems and diverse economic sectors. Concepts: The quality of climate change (impact) studies is often hampered by availability and quality of datasets. Thus, concepts for securing reliable and comparable data are developed and applied. For the description of the characteristics of a specific event a vast number of definitions and indices exists. Therefore, results on the temporal changes of event characteristics may differ between studies. By integrating a number of indices into an aggregated index, a more robust evaluation of the climate conditions and trends is facilitated. Furthermore, comparable climate impact assessments demand a common analysis framework with agreements on the data bases (observational data and climate projections) and methodologies (e.g., study periods, ensemble approach, quality assessment, correction algorithms, climate impact models and indices, elements considered in the impact or risk analysis). Changes: Summer drought conditions increased over most of Europe, except for some stations in northern Europe. Thereby, the observed increase in drought conditions during the warm part of the year is particularly pronounced for indices integrating evapotranspiration in their definition. Purely focussing on precipitation to evaluate drought conditions in the different water reservoirs does not suffice any longer. While observing increases in summer drought, the intensity of heavy precipitation events as well as their contribution to total precipitation show a positive trend over Europe, too. Several stations in Central Europe show increasing drought conditions and increasing heavy precipitation events during the summer half year at the same time, which increases the risks connected with precipitation extremes. Consequences: Climate change impacts on the transport system are studied exemplarily for the many sectors that are affected negatively by the projected changes in climate and extreme weather events. The availability and performance of the transport system are of high importance for the society (mobility) and economy (goods, transport chains). Extreme weather events such as heatwaves, flooding, droughts, and storm surges might 1) cause accidents and congestion, 2) severely damage to infrastructures and disrupt transport chains, and 3) result in delays and cancellations. Different modes of transport are affected by climate change in different ways and with different intensity. A climate impact assessment framework was defined and tested for the German Federal transport system to support the prioritization of adaptation options. Climate change impact studies for the UNECE-region (United Nations Economic Commission for Europe) complement these Federal analyses. It is shown that tar-geted climate services that integrate user requirements are key in developing feasible adaptation options.:Abstract 1 Zusammenfassung 2 1. Research topic and questions addressed 3 2. Outline and structure of this thesis 6 3. Concepts – How to evaluate changes in heat, drought and wetness? 11 3.1 How to define drought? 11 3.2 How to measure changes in (extreme) temperature and precipitation? 11 3.2.1 Applying established climate indices 11 3.2.2 Developing new indices to measure drought and wetness 12 3.2.3 Assessing extreme events and their impacts 14 3.3 How to ensure good quality climate data sets? 15 3.3.1 Separating climate variability from changes in non-climatic parameters 15 3.3.2 Regionalizing climate information 15 3.3.3 Adjusting biases in climate projections 16 3.4 How to ensure comparable results of climate impact assessments? 17 3.4.1 Agreeing on common assumptions and scenarios 17 3.4.2 Applying an ensemble analysis approach 17 3.4.3 Implementing a common analysis framework for impact assessment 18 4. Changes – Which variations are seen in the regional climate? 20 4.1 Variations and changes in the average climate – temperature and precipitation 20 4.1.1 Changes in wet and dry periods over Europe 20 4.1.2 Observed and projected temperature and precipitation trends over Germany 21 4.1.3 Observed climatic changes in North-eastern Brazil (NEB) 21 4.1.4 Observed precipitation variations in the Palestinian territories and surrounding areas 22 4.2 Extreme weather and climate events: spatio-temporal variations and trends 22 4.2.1 Increases in temperature extremes and heatwaves 22 4.2.2 Characteristics of and changes in heavy precipitation 23 4.2.3 Temporal variations in meteorological drought conditions 26 4.2.4 Drought and heavy precipitation 28 4.3 Characterising selected record hot and dry summers 30 4.3.1 The five record drought summers in Europe – 1947, 2018, 2003, 1921 and 1911 30 4.3.2 The summer of 2018 31 4.3.3 The summer of 2015 32 4.3.4 Recent hot and dry summers in Germany in comparison to climate projections 33 5. Consequences – Which climate impacts do we have to expect and how to adapt to them? The case of the transport system 35 5.1 Relevance of climate change considerations for the transport system 35 5.2 Networks supporting the development of climate resilient transport systems 35 5.2.1 BMDV Network of Experts on Climate Change Impacts and Adaptation 36 5.2.2 DAS core service “climate and water” 37 5.2.3 UNECE Group of Experts on Assessment of Climate Change Impacts and Adaptation for Inland Transport 38 5.3 Climate change impact analysis for the transportation sector 39 5.3.1 Methodology of the integrated climate impact assessment 39 5.3.2 Exemplary results of the exposure analysis 40 5.3.3 Integrated climate impact assessment 40 5.4 Stress testing the transport system 41 5.4.1 The stress test methodology 41 5.4.2 Exemplary results of the traffic simulations 41 5.5 Developing an adaptation framework and specific measures 42 5.5.1 Background and classification of adaptation measures 42 5.5.2 Information and consultation services 42 5.5.3 Reviewing and revising technical guidelines and standards 43 5.5.4 Structural adaptation measures 43 5.5.5 Adapting management practices of transportation infrastructure 43 5.5.6 Adapting the operative management of traffic flows 44 5.5.7 Survey results on suitable adaptation measures 44 6. Conclusions 45 6.1 Concepts 45 6.2 Changes 45 6.3 Consequences 46 7. References 48

Inhalt: Nachhaltiger Stadtumbau und Erneuerbare Energien - Ansatz und Konzepte einer ökologischen Stadtentwicklung Wohnprojekt Dresden Pillnitz - Innovatives Energiekonzept für zwei Mehrfamilienhäuser in Passivhausbauweise Tiefbautechnik in der Praxis - Die spektakuläre Gablenzbach-Sanierung Mauern für die Ewigkeit - Rekonstruktion, Sanierung und Neubau von Mauerwerksbauten Wärmebrückenbeheizung - Ein Widerspruch? Solares Heizen mit Großanlagen - Chancen und Perspektiven Bauphysikalische Wertung von belüfteten und nicht belüfteten Dächern Kritische Aspekte zum sommerlichen Wärmeschutz – Vorbemessung

In der Niederspannungstechnik werden die Anlagen zum Übertragen und Verteilen von Elektroenergie als Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen bezeichnet. Die Anlagen sollen ihre Aufgaben möglichst wartungsfrei über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten erfüllen. Damit ein langzeitstabiler Betrieb der Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen möglich ist, müssen die Anlagen mindestens normgerecht thermisch dimensioniert sein. Um die Erwärmung von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen zuverlässig und effizient zu berechnen, wird in dieser Arbeit die Wärmenetzmethode genutzt. In der Wärmenetzmethode werden die Vorgänge der Erwärmung mit Hilfe von Wärmestromquellen, Temperaturquellen, Wärmewiderständen und Wärmekapazitäten nachgebildet. Einen wesentlichen Einfluss auf die Erwärmung einer Schaltgerätekombination haben die in den Wärmequellen der Anlage erzeugten Verlustleistungen. Die dominanten Wärmequellen (Hauptwärmequellen) innerhalb von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen werden in dieser Arbeit untersucht und die Ergebnisse in die Wärmenetzmethode integriert. Mit den Ergebnissen werdenmit Hilfe der Wärmenetzmethode die Erwärmungen verschiedener Betriebsmittel einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination berechnet und anhand von Experimenten verifiziert. Die Wärmenetze der einzelnen Betriebsmittel werden zum Gesamt-Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination zusammengeschaltet. Die mit diesem Wärmenetz berechneten Temperaturen werden dann durch Experimente an der Versuchsanlage einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination verifiziert. Eine der Hauptwärmequellen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die ohmschen Leitungsverluste in den Strombahnen der Hauptsammel- und Feldverteilerschienen. Bei Drehstrombelastung werden die hier in den einzelnen Teilleitern erzeugten Verlustleistungen durch die Stromverdrängung aufgrund des Skin- und den überlagerten Proximity-Effekts maßgeblich beeinflusst. Gegenüber einer Gleichstrombelastung unterscheiden sich die Verlustleistungen jedes einzelnen Teilleiters um den Leistungsfaktor k3~. Für Drehstromschienensysteme mit mehreren Teilleitern existieren bisher nur unzureichende Angaben zum Leistungsfaktor k3~ durch den Skin- und den Proximity-Effekt. In dieser Arbeit wurden FEM-Modelle aufgebaut, die Leistungsfaktoren k3~ für unterschiedliche Schienenanordnungen berechnet und anhand experimenteller Untersuchungen verifiziert. Weitere Hauptwärmequellen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die in den Anlagen eingebauten Betriebsmittel zum Schalten, Trennen und Schützen (z. B. Leistungsschalter, Trennschalter, Trenneinrichtungen, Sicherungen). Neben den Schaltkontakten selbst gehören die thermischen Schutzauslöser und Sicherungen zu den Hauptwärmequellen in den Strombahnen der Schaltgeräte. Um die Erwärmung der Geräte genau zu berechnen, müssen der Aufbau der Strombahnen und die Verteilung der Widerstände bekannt sein. Diese Widerstände können im Allgemeinen nur gemessen werden. Dabei hat sich zum einen gezeigt, dass die gemessenen Widerstände der Schaltkontakte von Kompaktleistungsschaltern auch im selben Gerät stark variieren können. Zum anderen sind die Widerstände der Schaltkontakte so dominant, dass in ihnen bis zu 47 % der gesamten Verlustleistungen eines Kompaktleistungsschalters entstehen können. Bedingt durch die zunehmende kompakte Bauweise der Anlagen erzeugen die Drehstromfelder der Sammelschienen hohe magnetische Feldstärken in umgebenden Metallteilen. In den Gehäusen, Einbauplatten, Wänden, Umhüllungen und Verkleidungen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen können daher hohe Verlustleistungen entstehen, die maßgeblich die Erwärmung der Anlagen beeinflussen. Rechnerische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass bei typischen Anordnungen von Schienen und Umhüllungen Verlustleistungen entstehen, die bis zu 32,7% der gesamten in der Versuchsanordnung gemessenen Verlustleistungen betragen. Sind die Ergebnisse der untersuchten Wärmequellen in die Wärmenetze der verschiedenen Betriebsmittel von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen integriert, ermöglichen die aufgebauten Wärmenetze die Berechnung von Temperaturen mit geringen Abweichungen (+4,4 K, -3,5 K) verglichen mit gemessenen Temperaturen. Mit den verifizierten und modularisierten Wärmenetzen der Betriebsmittel ist eine Möglichkeit geschaffen, Wärmenetze von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen effizient und wirtschaftlich aufzubauen.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 2 2.1 Stand der Technik / Ausgangssituation 2 2.2 Normen zur Erwärmung 3 2.3 Aufgabenstellung 5 2.4 Aufbau der Versuchsanlage 7 3 Grundlagen der Erwärmungsberechnung 11 3.1 Erzeugte Wärmeleistungen 11 3.2 Wärmeübertragung 17 3.3 Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 39 4 Grundlagen zur Stromverdrängung 43 4.1 Stromdichteverteilung im Vollzylinder 43 4.2 Stromverdrängung und der Leistungsfaktor k 48 5 Untersuchungen zu den Wärmequellen 54 5.1 Stromwärmeverluste in den elektrischen Leiter von Sammel- und Feldverteilerschienen 57 5.2 Stromwärmeverluste in Schaltgeräten und zugehörigen Betriebsmitteln 90 5.3 Wirbelstrom- und Hystereseverluste in Metallteilen 105 6 Wärmenetze für die Betriebsmittel einer Niederspannungs- Schaltgerätekombination 126 7 Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination 148 8 Zusammenfassung und Ausblick 155 9 Literaturverzeichnis 158 10 Anhang 163 / In low-voltage engineering the systems for transmission and distribution of electric energy are named as low-voltage switchgear and controlgear assemblies. The systems have to perform their functions maintenance free as much as possible for a period of some decades. To achieve a long-time stable operation, the systems have to be designed thermally at least according to standards. In this thesis the thermal network method is used to calculate the heating of low-voltage switchgear and controlgear assemblies reliably and efficiently. The thermal network method simulates the processes of heating by heat sources, temperature sources thermal resistors and thermal capacities. The thermal power losses which are produced in the heat sources of the systems have significant influence on the heating of switchgear and controlgear assemblies. The dominant heat sources (main heat sources) within low-voltage switchgear and controlgear assemblies are researched at this thesis and the results are integrated to the thermal network method. The results are used to calculate the heating of various electrical components of a low-voltage switchgear and controlgear assembly using the thermal network method and verified by means of experiments. The thermal networks of the individual components are interconnected to form the overall thermal network of a low-voltage switchgear and controlgear assembly. The temperatures computed with this thermal network are then verified by experiments at the test setup of a low-voltage switchgear and controlgear assembly. In low-voltage switchgear and controlgear assemblies one of the main heat sources are the ohmic losses in the current paths of the main busbars and the distribution busbars. If the busbars are loaded with a three-phase current, the generated power losses of every individual subconductors are significantly influenced by the current displacement due to the skin effect and the superposed proximity effect. The power losses of each individual subconductor differ by the power factor k3~ compared to a DC load. For three-phase busbar systems with several subconductors there is only insufficient information on the power factor k3~ which takes into account the current displacement by the skin effect and the proximity effect. In this thesis, FEM models were developed to calculate the power factor k3~ for different busbar systems. The results were verified by experimental investigations. The installed electrical devices for switching, isolating and protection (e. g. circuit breakers, disconnectors, devices for disconnecting and fuses) are further main heat sources in low-voltage switchgear and controlgear assemblies. In addition to the main switching contacts themselves, thermal protection trips and the fuses are the main heat sources in the current paths of the switching devices. In order to calculate the heating of the electrical devices properly, the structure of the current paths and the distribution of the electrical resistances have to be known. In general these resistances can only determine by measuring. On one hand, it was found that the measured resistances vary widely even inside the same device. On the other hand, the resistances of the switching contacts are dominating, that up to 47 % of the entire power losses of a molded case circuit breaker can be generated there. Conditioned by the more and more compact design of the switchgears, the three-phase fields of the main busbars causes high magnetic fields at the surrounding metallic components. High power losses can therefore occur in housings, panels, walls, casings and enclosures in low-voltage switchgear and controlgear assemblies, which have a significant influence on the heating of the systems. Computational and experimental investigations have shown that typical arrangements of busbars and enclosures result in power losses of up to 32.7% of the total power losses measured in the test setup. If the results of the investigated heat sources are integrated into the networks of the various equipment of low-voltage switchgear and controlgear assemblies, the thermal networks set up enable the calculation of temperatures with small deviations (+4.4 K, -3.5 K) compared with measured temperatures. The verified and modularised thermal networks of the equipment provide an efficient and economical way of setting up heating networks of low-voltage switchgear and controlgear assemblies.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 2 2.1 Stand der Technik / Ausgangssituation 2 2.2 Normen zur Erwärmung 3 2.3 Aufgabenstellung 5 2.4 Aufbau der Versuchsanlage 7 3 Grundlagen der Erwärmungsberechnung 11 3.1 Erzeugte Wärmeleistungen 11 3.2 Wärmeübertragung 17 3.3 Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 39 4 Grundlagen zur Stromverdrängung 43 4.1 Stromdichteverteilung im Vollzylinder 43 4.2 Stromverdrängung und der Leistungsfaktor k 48 5 Untersuchungen zu den Wärmequellen 54 5.1 Stromwärmeverluste in den elektrischen Leiter von Sammel- und Feldverteilerschienen 57 5.2 Stromwärmeverluste in Schaltgeräten und zugehörigen Betriebsmitteln 90 5.3 Wirbelstrom- und Hystereseverluste in Metallteilen 105 6 Wärmenetze für die Betriebsmittel einer Niederspannungs- Schaltgerätekombination 126 7 Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination 148 8 Zusammenfassung und Ausblick 155 9 Literaturverzeichnis 158 10 Anhang 163

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auswirkung der induktiven Erwärmung beim Austenitisieren eines walzprofilierten Erzeugnisses vor dem Abschrecken auf seine mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur. Zur Beschreibung der Entwicklung von mechanischen Eigenschaften werden verschiedene empirische, semi-empirische sowie auf den experimentell ermittelten Kennwerten basierte physikalische Werkstoffmodelle herangezogen. Der Einfluss der schnellen induktiven Erwärmung auf die Gefüge¬entwicklung und die Einleitung der Entfestigungsprozesse wird dargelegt. Deren Auswirkung auf erzeugten Eigenspannungen wird simulativ abgebildet. Anhand der erzielten Ergebnisse wird eine Empfehlung zur Auslegung des Prozessfensters gegeben.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 4 Versuchseinrichtungen und eingesetzte Methoden 5 Ergebnisse 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick / The present work focuses on the effect of inductive heating during austenitizing of a roll formed product before quenching on its mechanical properties and microstructure. To describe the development of mechanical properties various empirical, semi-empirical and physical material models based on the experimentally determined characteristic values are used. The influence of rapid inductive heating on the microstructure development and the initiation of softening processes is described. Their effect on generated residual stresses is simulated. Based on the obtained results, a recommendation for the design of the process window is given.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 4 Versuchseinrichtungen und eingesetzte Methoden 5 Ergebnisse 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick

Der Forschungsgegenstand der vorliegenden Arbeit ist die kontinuierliche Herstellung eines profilförmigen Bauteils aus dem Bor-Mangan-Stahl 22MnB5 mit lokal bzw. global definierten mechanischen Eigenschaften. Dabei laufen die Formgebung und Wärmebehandlung (WBH) parallel ab. Die Hauptformgebung erfolgt zunächst im Lieferzustand, an die sich die Wärmbehandlung und die finale Formgebung anschließen. Während der WBH wird das ferritische Anfangsgefüge beim Erwärmen in Austenitgefüge und anschließend durch eine rasche Abkühlung größer 30 K/s in Martensitgefüge umgewandelt. Die Induktorform, -frequenz und die -leistung beeinflussen hierbei maßgeblich die Aufheizrate und das Erwärmungsbild. Durch kontinuierliche Formgebung und die gezielte WBH sind Profilbauteile mit Bauteilfestigkeiten bis 1500 MPa effizient herstellbar. Im Anschluss an eine Machbarkeitsstudie werden experimentelle und simulative Untersuchungen durchgeführt und die gewonnenen Ergebnisse miteinander verglichen. Dadurch kann die prinzipielle Eignung des FE-Modells nachgewiesen werden. Im Weiteren erfolgt der Vergleich von drei verschiedenen Fertigungsrouten, wobei das Hauptaugenmerk auf der erforderlichen Umformkraft und der erreichbaren Formgenauigkeit liegt. Auf Basis der Simulationsergebnisse kann festgehalten werden, dass mittels der untersuchten Technologie höchstfeste und formgenaue Profilbauteile mit definierten mechanischen Eigenschaften herstellbar sind. Der Einsatz der Technologie birgt somit ein enormes Leichtbaupotenzial. Dennoch gibt es Hemmnisse die Technologie einzusetzen, da „Wärme“ in den traditionell kalt ablaufenden Umformprozess eingebracht wird. Die Arbeit soll dazu beitragen, diese Barriere abzubauen.:1 EINLEITUNG 2 STAND DER FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 3 HANDLUNGSBEDARF, ZIELSETZUNG UND LÖSUNGSWEG 4 VERSUCHSPLANUNG 5 VERWENDETE WERKSTOFFE SOWIE ANLAGEN- UND WERKZEUGTECHNIK ZUR ENTWICKLUNG EINER TECHNOLOGIE ZUR HERSTELLUNG EINTEILIGER, EIGENSCHAFTSSKALIERTER PROFILBAUTEILE 6 REFERENZVERSUCHE V-GESENKBIEGEN UND KALTWALZPROFILIEREN EINES HUTPROFILS AUS 22MNB5 7 STATIONÄRES AUFHEIZVERHALTEN EINES RINGINDUKTORS UND ABSCHRECKEN MITTELS UNTERSCHIEDLICHER KÜHLMEDIEN 8 INTEGRATION EINER WÄRMEBEHANDLUNG IN DEN KONTINUIERLICHEN WALZPROFILIERPROZESS 9 ZUSAMMENFASSUNG 10 AUSBLICK / The research object of the present work is the continuous production of an open profile component made of the manganese-boron steel 22MnB5 with locally or globally defined mechanical properties. The shaping and heat treatment (SHT) take place in one process. The main shaping is first carried out in the as-delivered condition, followed by heat treatment and final shaping. During the heat treatment, the initial ferritic microstructure is transformed into an austenitic state during heating and then into a martensitic microstructure by rapid cooling at a rate of more than 30 K/s. The geometry of the induction coil, the frequency and the heating power have a significant influence on the heating rate and the heating effect. Through continuous shaping and controlled SHT, profile components with strengths of up to 1500 MPa can be produced efficiently. Following a feasibility study, experimental and simulative investigations were carried out and the results obtained were compared with each other. In this way, the principle suitability of the FE model could be demonstrated. In further steps, three different production routes were com-pared, whereby the main focus was on the required forming force and the achievable forming accuracy. Based on the obtained results, it can be stated that the investigated technology can be used to produce high-strength and dimensionally accurate profile components and defined mechanical properties with high output rate. The use of this technology thus offers a huge lightweight potential. However, as additional heat is introduced into the traditionally cold forming process, the process is more complexity and this constitutes a barrier to the use of the technology. This work is intended to overcome this barrier.:1 EINLEITUNG 2 STAND DER FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 3 HANDLUNGSBEDARF, ZIELSETZUNG UND LÖSUNGSWEG 4 VERSUCHSPLANUNG 5 VERWENDETE WERKSTOFFE SOWIE ANLAGEN- UND WERKZEUGTECHNIK ZUR ENTWICKLUNG EINER TECHNOLOGIE ZUR HERSTELLUNG EINTEILIGER, EIGENSCHAFTSSKALIERTER PROFILBAUTEILE 6 REFERENZVERSUCHE V-GESENKBIEGEN UND KALTWALZPROFILIEREN EINES HUTPROFILS AUS 22MNB5 7 STATIONÄRES AUFHEIZVERHALTEN EINES RINGINDUKTORS UND ABSCHRECKEN MITTELS UNTERSCHIEDLICHER KÜHLMEDIEN 8 INTEGRATION EINER WÄRMEBEHANDLUNG IN DEN KONTINUIERLICHEN WALZPROFILIERPROZESS 9 ZUSAMMENFASSUNG 10 AUSBLICK

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Entwicklung einer Strategie für die eine CO2 sparende zu- künftige Landwirtschaft, in der nur geringe Emissionen von Treibhausgasen entstehen, die Stromerzeugung vor Ort aus natürlichen Ressourcen erfolgt, eine maximale Ausnutzung der Sonnenenergie genutzt wird, und der Konflikt zwischen der Nutzung der verfügbaren Ressourcen für Nahrungsmittel und Treibstoff Produktion vermieden wird. Alle Versuche in der Arbeit wurden in den Jahren 2005 -2009 auf der Öko-Farm (TOSOLY) der UTA (Fundación para la Producción Agropecuaria Tropical Sostenible Capitulo Kolumbien - UTA) unter der Leitung von Dr. TR Preston (Präsident ) und MSc Lylian Rodríguez (Director) durchgeführt. / This thesis is a contribution to the strategy that should underpin all future farming systems: namely the need to “de-carbonize” the system, by reducing emissions of greenhouse gases, generating electricity locally from natural resources, making maximum use of solar energy and ensuring there is no conflict between use of available resources for both food and fuel production. All the experiments described in the thesis were carried out in the period 2005 -2009 at the ecological farm (TOSOLY) of the UTA Foundation (Fundación para la Producción Agropecuaria Tropical Sostenible Capitulo Colombia – UTA) of which the principals are Dr T R Preston (President) and MSc Lylian Rodríguez (Director).