Gegenstand der Arbeit ist die Analyse eines neu entwickelten Verfahrens zur Oberflächenmodifizierung, das bereits während des Spritzgießens die Haftungs- und Benetzungseigenschaften einer Formteiloberfläche verbessert. Damit kann die teilweise kosten- und anlagenintensive Oberflächenbehandlung nach dem Formgebungsprozess, wie z. B. durch Beflammen, Korona- oder Plasmabehandlung, eingespart werden. Die in dieser Arbeit betrachtete chemische Oberflächenmodifizierung von Polycarbonatformteilen hängt vor allem von den beim Spritzgießen sich einstellenden thermischen Verhältnissen ab. Daher werden im ersten Teil der Arbeit mittels Simulationsrechnungen die Temperaturen in dem Bereich ermittelt, in dem die Reaktion stattfindet. Auf der Basis der Temperaturberechnungen lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit der Modifizierung abschätzen. Zudem sind die Temperaturen an der Formteiloberfläche experimentell gemessen, mit den Berechnungser-gebnissen verglichen und bewertet worden. Randwinkelmessungen sowie Untersuchungen der Verbundfestigkeit von verklebten Probekörpern stellen einen Zusammenhang zwischen den beim Spritzgießen gewählten Prozessparametern und dem Modifizierungsergebnis her. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass sich das in situ Modifizierungsverfahren nicht nur bei Polykondensaten wie dem Polycarbonat, sondern auch für Polyolefine (z. B. Polypropylen) anwenden lässt, wobei die verfahrenstechnischen Unterschiede und Einschränkungen aufgezeigt werden.

Gegenstand der Arbeit ist die Analyse eines neu entwickelten Verfahrens zur Oberflächenmodifizierung, das bereits während des Spritzgießens die Haftungs- und Benetzungseigenschaften einer Formteiloberfläche verbessert. Damit kann die teilweise kosten- und anlagenintensive Oberflächenbehandlung nach dem Formgebungsprozess, wie z. B. durch Beflammen, Korona- oder Plasmabehandlung, eingespart werden. Die in dieser Arbeit betrachtete chemische Oberflächenmodifizierung von Polycarbonatformteilen hängt vor allem von den beim Spritzgießen sich einstellenden thermischen Verhältnissen ab. Daher werden im ersten Teil der Arbeit mittels Simulationsrechnungen die Temperaturen in dem Bereich ermittelt, in dem die Reaktion stattfindet. Auf der Basis der Temperaturberechnungen lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit der Modifizierung abschätzen. Zudem sind die Temperaturen an der Formteiloberfläche experimentell gemessen, mit den Berechnungser-gebnissen verglichen und bewertet worden. Randwinkelmessungen sowie Untersuchungen der Verbundfestigkeit von verklebten Probekörpern stellen einen Zusammenhang zwischen den beim Spritzgießen gewählten Prozessparametern und dem Modifizierungsergebnis her. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass sich das in situ Modifizierungsverfahren nicht nur bei Polykondensaten wie dem Polycarbonat, sondern auch für Polyolefine (z. B. Polypropylen) anwenden lässt, wobei die verfahrenstechnischen Unterschiede und Einschränkungen aufgezeigt werden.

Das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen verursacht geometrische Abweichungen an Werkstücken. In vielen Forschungsarbeiten wurden wertvolle Beiträge zu deren Verbesserung veröffentlicht. Dabei kommt die Finite-Elemente (FE)- Simulation zum Einsatz. Für diese ist unter anderem der Wärmeübergangskoeffizient als Randparameter notwendig. Insbesondere für Hohlräume, beispielsweise unter der Maschinenverkleidung, gibt es keine Methode diesen schnell zu berechnen. Die vorliegende Arbeit liefert umfangreiche Untersuchungen zu den thermischen Vorgängen in Hohlräumen und deren Auswirkungen auf die thermischen Verlagerungen an Werkzeugmaschinen. Dafür erarbeitet diese Arbeit eine Methode, um Metamodelle für die schnelle Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in Hohlräumen zu erstellen. Mögliche Hohlraumkonfigurationen werden dafür kategorisiert und für messtechnische Untersuchungen ein Versuchsstand konzipiert. Der Einfluss des Mikroklimas auf die thermischen Verlagerungen wird analysiert. Dabei wird der Einfluss von Konvektion und Strahlung, der Maschinenverkleidung und des Öffnens der Arbeitsraumtüre untersucht. In dieser Arbeit werden zwei Metamodelle erstellt, für einen Hohlraum mit einer Seitenwand als Wärmequelle und für einen Hohlraum mit mittig platzierter Wärmequelle. Die Anwendung der Metamodelle wird mit der thermischen FE-Simulation einer Werkzeugmaschine erläutert und eine Hilfestellung für die Übertragung auf weitere Werkzeugmaschinen gegeben. / The thermal behavior of machine tools causes most of the geometric errors on workpieces. In recent years, many authors published valuable contributions to the analysis, correction and compensation of the thermal behavior of machine tools. One way is the finite element simulation, where the heat transfer coefficient is needed as an input parameter. In particular, for enclosures, for example under the machine housing, there is no method to calculate this coefficient quickly. As state of the art the heat transfer coefficient is received from a computation-intensive fluid simulation of the enclosure. The present work provides investigations of enclosures, the microclimate in enclosures, its effect on the thermal errors of machine tools and finally a method to develop metamodels for the fast calculation of the heat transfer coefficient in enclosures and to use them in the finite element simulation. Possible enclosure configurations are categorized and a test stand is designed for metrological investigations. In basic investigations the thermal processes in different enclosures are analyzed. The influence of the microclimate on thermal errors of machine tools is analyzed in experiments. The influence of convection and radiation, the machine housing and the opening of the working room door are examined. In this work two metamodels are developed. One for an enclosure with a side wall as a heat source and one for an enclosure with a centrally placed heat source. The application of the metamodels is explained in the thermal finite element simulation of a machine tool.

Die ökologischen und ökonomischen Anforderungen der heutigen Zeit verlangen energieeffiziente Verarbeitungsverfahren. Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit mit dem Kunststoffblasformprozess, der neben dem für die Kunststoffverarbeitung typischen hohen Energiebedarf zusätzlich ein hohes Maß an energieintensiv zu erzeugender Druckluft erfordert. Ausgehend von einer ausführlichen Energiebilanz des Extrusionsblasformprozesses wurde der zur Formgebung (Blasluft) und zur inneren Blasteilkühlung (Spülluft) benötigte Drucklufteinsatz als eine energetische Schwachstelle identifiziert. Zur Reduzierung des erforderlichen Druckluftaufwands bei der Formgebung wird die Prozessrückführung der Blasluft detailliert betrachtet. Weiterhin wird ein Speichersystem vorgestellt, das eine sekundäre Nutzung der bei der inneren Blasteilkühlung kontinuierlich anfallenden druckbehafteten Prozessabluft ermöglicht. Abschließend wird ein Ansatz zum effektiven Drucklufteinsatz bei der inneren Kühlung flaschenförmiger Blasteile aufgezeigt, der durch gezieltes Ausnutzen von für den Wärmeübergang günstiger Strömungsverhältnisse eine Kühlzeitverkürzung sowie eine Reduzierung des Druckluftaufwands verspricht.:1 Einleitung 2 Prozessanalyse des Blasformverfahrens 3 Motivation, Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Energetische Bilanzierung des Extrusionsblasformverfahrens 5 Reduzierung des Druckluftaufwands bei der Formgebung 6 Sekundärnutzung der zur inneren Blasteilkühlung verwendeten Druckluft 7 Effektive Druckluftnutzung bei der inneren Kühlung flaschenförmiger Blasteile 8 Zusammenfassung und Ausblick / Today's ecological and economic requirements demand energy-efficient processing methods. Against this background, this thesis deals with the plastic blow moulding process, which, in addition to the high energy demand typical for plastics processing, requires a high degree of energy-intensive compressed air. Based on a detailed energy balance of the extrusion blow moulding process, the use of compressed air required for forming (blow air) and for internal cooling of the blowing parts (purge air) was identified as an energetic weak point. In order to reduce the amount of compressed air required for forming, a feedback process used to recycle the blowing air is investigated in detail. Furthermore, a storage system will be presented which allows a secondary use of the pressurized process exhaust air, which is continuously generated during the internal cooling of the blowing part. Finally, an optimization approach for the effective use of compressed air for the internal cooling of bottle-shaped blow-moulded parts is presented, which promises a shortening of the cooling time and a reduction of the compressed air required through the targeted use of favourable flow conditions for heat transfer.:1 Einleitung 2 Prozessanalyse des Blasformverfahrens 3 Motivation, Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Energetische Bilanzierung des Extrusionsblasformverfahrens 5 Reduzierung des Druckluftaufwands bei der Formgebung 6 Sekundärnutzung der zur inneren Blasteilkühlung verwendeten Druckluft 7 Effektive Druckluftnutzung bei der inneren Kühlung flaschenförmiger Blasteile 8 Zusammenfassung und Ausblick

Industriedampfturbinen weisen zwischen ihren Leitgitterträgern und dem Außengehäuse dampfgefüllte Seitenräume auf, die in ihrer Form und in ihren Abmessungen stark variieren. Der durch die Wirbelstrukturen im Seitenraum induzierte erzwungene konvektive Wärmeübergang bestimmt das thermomechanische Verhalten des Gehäuses maßgeblich. Bislang existiert jedoch noch kein verallgemeinerungsfähiges Wissen zum lokalen Wärmeübergang in Gehäuseseitenräumen. Mittels des neu konzipierten Seitenraumversuchsstandes „SiSTeR“ sind erstmalig systematische experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergang in skalierten, generisch variablen Totraummodellen in Luftströmung durchgeführt worden. Die Bestimmung lokal aufgelöster Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) erfolgt mittels zweier unabhängiger rückwirkungsarmer Messverfahren mit geringem Wärmeeintrag. Für die stationäre inverse Methode wurden Materialtemperaturen in der Totraumaußenwand gemessen und mittels verschiedener thermischer Ersatzmodelle, die sich hinsichtlich ihrer Komplexität, Berechnungsdauer und Genauigkeit unterscheiden, umgewertet. Die Unsicherheit der aus den Temperaturen berechneten WÜK liegt bei allen eingesetzten inversen Verfahren deutlich unter 10 %, mit Ausnahme der äußersten Randbereiche des Seitenraumes. Die WÜK-Verteilung im Totraum kann in guter Näherung mit einer parametrisierten Gauß’schen Glockenkurve approximiert werden. Neben der Reynolds-Zahl in der Hauptströmung stellt die Breite des Einströmspaltes zum Seitenraum einen Haupteinflussparameter auf den Wärmeübergang dar. Es wurde eine Nusselt-Korrelation entwickelt, die alle experimentell ermittelten Werte zufriedenstellend abbildet und dafür geeignet ist, innerhalb ihrer Gültigkeitsgrenzen detaillierte WÜK-Verläufe für beliebige Seitenräume in Turbinen und Strömungsverhältnisse zu berechnen. Begleitend zu den experimentellen Untersuchungen erfolgte die Nachrechnung ausgewählter Versuchskonfigurationen mittels numerischer Strömungssimulation.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand des Wissens 2.1 Strömung und Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinen 2.2 Strömung in Kavitäten mit T- und L-förmigem Querschnitt 2.3 Wärmeübergang in Kavitäten mit quadratischem Querschnitt 2.4 Notwendigkeit und Ausgangslage der Untersuchungen 2.5 Überblick über aktuelle Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet 3 Zielstellung, Methodik und Lösungsweg 4 Versuchsaufbau und -durchführung 4.1 Seitenraumversuchsstand „SiSTeR“ 4.1.1 Versuchsstandkonzept 4.1.2 Dimensionierung und Skalierung der Modellgeometrie 4.1.3 Experimentelle Implementierung des Versuchsstandes 4.1.4 Versuchsanlage zur geregelten Druckluftbereitstellung für den Versuchsstand 4.2 Instrumentierung 4.2.1 Wärmeübergangsmessung im Seitenraum 4.2.2 Wanddruckmessung im Seitenraum 4.2.3 Strömungsmessung im konzentrischen Ringspalt des Hauptströmungskanals 4.2.4 Betriebsmessstellen an der Versuchsanlage 4.3 Messdatenerfassung und -verarbeitung 4.3.1 Messwerterfassungssystem 4.3.2 Datenverarbeitung und -synchronisierung 4.4 Datenauswertung 4.4.1 Massenstrom aus Blendenberechnung 4.4.2 Bezugstemperatur, Bezugsdruck und charakteristische Strömungsgrößen im Versuchsstand 4.4.3 Thermisches Netzwerkmodell zur Abschätzung lokaler Wärmeübergangskoeffizienten 4.4.4 Rückwärtsrechnung mittels gradientenbasiertem Optimierungsverfahren 4.4.5 Ableitungsfreie Optimierung mittels evolutionärem Algorithmus 4.4.6 Inverse Berechnung mittels Trefftz-Funktionen und Regularisierung 4.4.7 Vergleich der mit den Rechenmodellen ermittelten WÜK-Verläufe 4.5 Versuchsplanung und -durchführung 4.5.1 Versuchsablauf 4.5.2 Versuchsmatrix 4.6 Datenreduktion und -mittelung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Betriebscharakteristik der Versuchsanlage 5.2 Kalibrierung der Fünflochsonde an der Freistrahldüse 5.3 Strömungsfeld im konzentrischen Ringspaltkanal 5.4 Druckverteilung an der Außenwandinnenoberfläche 5.5 Thermodynamische Stoffwerte der Wandmaterialien 5.5.1 Dichte 5.5.2 Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität 5.6 Kalibrierung des Messaufbaus an der Saugrohrstrecke 5.7 Messergebnisse zum lokalen Wärmeübergang in generischen Seitenraumgeometrien 5.7.1 Vergleich der Messmethoden 5.7.2 Reproduzierbarkeit und Streuung der Messwerte 5.7.3 Einfluss der Reynolds-Zahl Re in der Hauptströmung 5.7.4 Einfluss der Einströmbreite s 5.7.5 Einfluss der Breite der Kavität b 5.7.6 Einfluss der Exzentrizität der Kavität e 5.7.7 Einfluss des Drallwinkels α in der Anströmung zum Seitenraum 5.8 Analyse und Abschätzung von Messunsicherheiten 5.8.1 Unsicherheit der gemessenen Absolut- und Differenzdrücke 5.8.2 Unsicherheit der gemessenen Temperaturen 5.8.3 Unsicherheit der berechneten Wärmeübergangskoeffizienten 5.8.4 Unsicherheit der geometrischen Maße von Seitenraum und Strömungskanal 5.8.5 Unsicherheit des Massenstromes an der Blendenmessstrecke 5.8.6 Unsicherheit der Reynolds-Zahl 5.8.7 Unsicherheit der Nusselt-Zahl 5.8.8 Unsicherheit der Strömungswinkel und Geschwindigkeitskomponenten 5.9 Verallgemeinerung der Ergebnisse als Nusselt-Korrelation 6 Numerische Nachrechnung ausgewählter Konfigurationen mittels CFD-Simulation 6.1 CFD-Basismodell 6.1.1 Geometrie 6.1.2 Vernetzung 6.1.3 Randbedingungen 6.1.4 Medium/ Stoffkennwerte 6.1.5 Physikalische Modellierung/ Setup 6.1.6 Lösung/ Konvergenz 6.1.7 Auswertung und Ergebnisse 6.2 Modelldetaillierungsgrad und Abbruchfehler 6.3 Netzunabhängigkeitsstudie 6.4 Einfluss der Randbedingungen und der Modellierung 6.5 Large-Eddy-Simulation 6.6 Ergebnisse der systematischen Nachrechnung 7 Übertragung der Ergebnisse auf reale Turbinenverhältnisse 8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 9 Ausblick Literatur / Industrial steam turbines have steam-filled side spaces between their guide vane carriers and the outer casing, which vary greatly in shape and dimensions. The forced convective heat transfer induced by the vortex structures in the side space significantly influences the thermo-mechanical behaviour of the casing. Up to present, however, there is no generalisable knowledge about the local heat transfer in casing side spaces. By means of the newly designed side space test rig 'SiSTeR', systematic experimental investigations of heat transfer in scaled, generically variable side space models have been carried out for the first time using air flow. Local heat transfer coefficients (HTC) were determined by using two independent measuring methods with low heat input. For the steady-state inverse method, material temperatures in the outer wall of the side space were measured and converted by means of different thermal substitute models, which differ in terms of complexity, calculation time and accuracy. The uncertainty of the HTC calculated from the temperatures is clearly below 10 % for all inverse methods used, with the exception of the outermost edge areas of the side space. The HTC distribution in the side space can be approximated with a parameterised Gaussian bell curve. In addition to the Reynolds number in the main flow, the width of the inflow gap to the side space represents a main influence parameter on the heat transfer. A Nusselt correlation was developed that satisfactorily reproduces all experimentally determined values and is suitable for calculating detailed heat transfer curves for any side spaces in turbines and flow conditions within its limits of validity. Accompanying the experimental investigations, selected test configurations were further studied by means of numerical flow simulations.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand des Wissens 2.1 Strömung und Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinen 2.2 Strömung in Kavitäten mit T- und L-förmigem Querschnitt 2.3 Wärmeübergang in Kavitäten mit quadratischem Querschnitt 2.4 Notwendigkeit und Ausgangslage der Untersuchungen 2.5 Überblick über aktuelle Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet 3 Zielstellung, Methodik und Lösungsweg 4 Versuchsaufbau und -durchführung 4.1 Seitenraumversuchsstand „SiSTeR“ 4.1.1 Versuchsstandkonzept 4.1.2 Dimensionierung und Skalierung der Modellgeometrie 4.1.3 Experimentelle Implementierung des Versuchsstandes 4.1.4 Versuchsanlage zur geregelten Druckluftbereitstellung für den Versuchsstand 4.2 Instrumentierung 4.2.1 Wärmeübergangsmessung im Seitenraum 4.2.2 Wanddruckmessung im Seitenraum 4.2.3 Strömungsmessung im konzentrischen Ringspalt des Hauptströmungskanals 4.2.4 Betriebsmessstellen an der Versuchsanlage 4.3 Messdatenerfassung und -verarbeitung 4.3.1 Messwerterfassungssystem 4.3.2 Datenverarbeitung und -synchronisierung 4.4 Datenauswertung 4.4.1 Massenstrom aus Blendenberechnung 4.4.2 Bezugstemperatur, Bezugsdruck und charakteristische Strömungsgrößen im Versuchsstand 4.4.3 Thermisches Netzwerkmodell zur Abschätzung lokaler Wärmeübergangskoeffizienten 4.4.4 Rückwärtsrechnung mittels gradientenbasiertem Optimierungsverfahren 4.4.5 Ableitungsfreie Optimierung mittels evolutionärem Algorithmus 4.4.6 Inverse Berechnung mittels Trefftz-Funktionen und Regularisierung 4.4.7 Vergleich der mit den Rechenmodellen ermittelten WÜK-Verläufe 4.5 Versuchsplanung und -durchführung 4.5.1 Versuchsablauf 4.5.2 Versuchsmatrix 4.6 Datenreduktion und -mittelung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Betriebscharakteristik der Versuchsanlage 5.2 Kalibrierung der Fünflochsonde an der Freistrahldüse 5.3 Strömungsfeld im konzentrischen Ringspaltkanal 5.4 Druckverteilung an der Außenwandinnenoberfläche 5.5 Thermodynamische Stoffwerte der Wandmaterialien 5.5.1 Dichte 5.5.2 Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität 5.6 Kalibrierung des Messaufbaus an der Saugrohrstrecke 5.7 Messergebnisse zum lokalen Wärmeübergang in generischen Seitenraumgeometrien 5.7.1 Vergleich der Messmethoden 5.7.2 Reproduzierbarkeit und Streuung der Messwerte 5.7.3 Einfluss der Reynolds-Zahl Re in der Hauptströmung 5.7.4 Einfluss der Einströmbreite s 5.7.5 Einfluss der Breite der Kavität b 5.7.6 Einfluss der Exzentrizität der Kavität e 5.7.7 Einfluss des Drallwinkels α in der Anströmung zum Seitenraum 5.8 Analyse und Abschätzung von Messunsicherheiten 5.8.1 Unsicherheit der gemessenen Absolut- und Differenzdrücke 5.8.2 Unsicherheit der gemessenen Temperaturen 5.8.3 Unsicherheit der berechneten Wärmeübergangskoeffizienten 5.8.4 Unsicherheit der geometrischen Maße von Seitenraum und Strömungskanal 5.8.5 Unsicherheit des Massenstromes an der Blendenmessstrecke 5.8.6 Unsicherheit der Reynolds-Zahl 5.8.7 Unsicherheit der Nusselt-Zahl 5.8.8 Unsicherheit der Strömungswinkel und Geschwindigkeitskomponenten 5.9 Verallgemeinerung der Ergebnisse als Nusselt-Korrelation 6 Numerische Nachrechnung ausgewählter Konfigurationen mittels CFD-Simulation 6.1 CFD-Basismodell 6.1.1 Geometrie 6.1.2 Vernetzung 6.1.3 Randbedingungen 6.1.4 Medium/ Stoffkennwerte 6.1.5 Physikalische Modellierung/ Setup 6.1.6 Lösung/ Konvergenz 6.1.7 Auswertung und Ergebnisse 6.2 Modelldetaillierungsgrad und Abbruchfehler 6.3 Netzunabhängigkeitsstudie 6.4 Einfluss der Randbedingungen und der Modellierung 6.5 Large-Eddy-Simulation 6.6 Ergebnisse der systematischen Nachrechnung 7 Übertragung der Ergebnisse auf reale Turbinenverhältnisse 8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 9 Ausblick Literatur