Thermische Prozesse simulieren

Effizienz, Qualität, Emissionen

In vielen Bereichen und Produkten laufen komplexe thermische Prozesse ab, die durch eine Wechselwirkung von Temperatur, Strömungen und Materialverhalten gekennzeichnet sind. Diese zu verstehen und gezielt zu optimieren, ist ein wichtiger Beitrag zum Erfolg, den Multiphysik-Simulation leisten kann. Eine gleichmäßige, kontrollierte Strömungsführung und präzise Temperaturverteilung sind für Industrieöfen, Heizsysteme, Anlagen zur Abgasreinigung und -filterung sowie die industrielle Thermoprozesstechnik im Allgemeinen von Vorteil. Diese sind entscheidend für die Effizienz, Emissionen und die Produktqualität bzw. die Einhaltung der Prozessfenster. Mit Strömungssimulation (CFD) und Multiphysik-Simulation können solche Prozesse schnell, gezielt und detailliert abgebildet werden.

Home
Simulation
Strömungssimulation
Thermische Prozesse simulieren

Thermische Prozesse: ähnliche Anforderungen trotz unterschiedlichster Anwendungen

Wenn wir über Thermoprozesstechnik sprechen, dann meinen wir industrielle Prozesse, bei denen Werkstoffe, Bauteile oder Medien durch Temperatur gezielt beeinflusst werden. Solche Prozesse sind in vielen Branchen allgegenwärtig, beispielsweise in Backöfen der Lebensmittelindustrie, aber auch bei der Wärmebehandlung von Metallen, in der Chemieindustrie, im Anlagenbau, bei der Herstellung von Glas, Keramik oder Baustoffen sowie in Abgasreinigungsanlagen – sei es für Prozessabgase oder für Verbrennungsmotoren. Schon kleine Abweichungen bei der Strömungsführung, dem Aufheiz- und Abkühlverhalten oder der Temperaturverteilung können einen wesentlichen Einfluss auf den Gesamtprozess haben: seien es Schwankungen in der Produktqualität, Effizienz und Energiekosten, Emissionen, Ausschuss und die Prozessqualität und Stabilität im Allgemeinen, die sich wiederum in Stillständen oder Schäden niederschlägt.

Aus technischer Sicht haben solche Prozesse hohe Herausforderungen, denn die Toleranz für lokale Hotspots und Temperaturabweichungen oder ungleichmäßige Strömungen ist gering und die Folgen reichen über Qualitätsschwankungen hinaus bis zur Möglichkeit ernster Schäden an den Anlagen. Gleichzeitig werden auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen eine konstant reproduzierbare Leistung, gute Qualität, kurze Taktzeiten und ein sicherer Betrieb erwartet.

Neben technischer Optimierung sind wirtschaftliche und regulatorische Anforderungen ein wichtiger Treiber der Entwicklung in der Prozesstechnik. Hoher Energieverbrauch bzw. hohe Energiekosten durch die verwendeten Energieträger sowie strenge Abgasgrenzwerte und Effizienzvorgaben setzen sowohl Anlagenbetreiber als auch Hersteller unter Druck. Die Vorgaben bedingen, dass das Verhalten der Anlagen auch im Teillastbereich oder im Fehlerfall bekannt und konform ist.

Simulation schafft hier schon während der Entwicklung die dringend nötige Transparenz. In komplexen thermischen Prozessen macht sie Strömungen und Temperaturverteilungen sichtbar, die selbst in längeren Testläufen nur schwer zu ermitteln sind. Sie erlaubt schnelle Korrekturen und den Vergleich verschiedener Varianten schon lange vor Beginn der Fertigung, was Risiken reduziert und fundierte Entscheidungen ermöglicht.

Energie effizient nutzen

Exakt temperieren

Prozessfenster einhalten

Ausschuss minimieren

Schäden und Ausfälle vermeiden

Emissionen senken

Prozesse besser verstehen

Erfolgreicher Einsatz von Strömungssimulation in der Thermoprozesstechnik

Wie bereits dargestellt, ergeben sich in den verschiedenen Bereichen der Thermoprozesstechnik viele interessante und wirtschaftliche Anwendungsfälle für Strömungs- und Multiphysiksimulation. Je nach Anwendungsfall kommen Simulationen einzelner Physiken bis hin zur Multiphysik zum Einsatz, um auch komplexe Zusammenhänge exakt abbilden zu können. Im Folgenden finden Sie einige mögliche Beispiele aus verschiedenen Branchen:

Öfen, Trockner und Fertigungsanlagen in der Lebensmitteltechnik.

Backen, Trocknen, Rösten, Pasteurisieren, Dämpfen, Räuchern, Sterilisieren … – in der Lebensmittelindustrie spielen thermische Prozesse an ganz unterschiedlichen Stellen eine jeweils zentrale Rolle. Mit der richtigen Temperatur steht und fällt die gesamte Produktqualität: Geschmack, Optik, Textur bis hin zur Lebensmittelsicherheit. Was "richtig" hierbei bedeutet, kann sich im Einzelfall zu einer sehr komplexen Thematik auswachsen, denn es beinhaltet die gleichmäßige Temperaturverteilung über alle Produkte hinweg sowie auch eine präzise Temperaturführung über die gesamte Dauer des Prozesses. Nur wenn alle Faktoren gegeben sind, stimmt das Ergebnis bei möglichst kurzer Taktzeit, hohem Durchsatz und hoher Energieeffizienz.

Gerade bei der Analyse der Temperatur- und Strömungsverteilung innerhalb der Anlagen unterstützt Simulation und kann z.B. Einblicke bis in den letzten Winkel und sogar ins Innere der Produkte liefern. Inhomogene Erwärmung inkl. den daraus folgenden lokalen Über-, Untertemperaturen und Qualitätsmängel lassen sich so ebenso erkennen wie lokale Rand- oder Schattierungseffekte. Auch das Verhalten unterschiedlicher Produktgeometrien, Beladungsdichten und Fördergeschwindigkeiten kann in der Simulation untersucht werden. Im Ergebnis lassen sich die Prozesse so effizienter, stabiler und wirtschaftlicher auslegen bei gleichzeitig geringerem Aufwand für Tests und Prototypen.

Anlagen für die Abgasreinigung und Abgasnachbehandlung

Die Abgasreinigung und Filtration stellen in vielen industriellen Prozessen einen unverzichtbaren Anlagenbestandteil dar. Um optimal zu arbeiten, benötigen die verwendeten thermischen, elektrischen und katalytischen Verfahren hohe Temperaturen und stabile Randbedingungen. Dazu gehören enge Temperaturfenster, eine ausreichende Verweilzeit der Abgase in der Anlage sowie eine gleichmäßige Strömung.

Ob diese gegeben sind und die Abgasreinigung effektiv und effizient arbeitet, lässt sich mittels Simulation analysieren. Strömungs- und Temperaturanalysen zeigen kritische Hotspots oder Totzonen frühzeitig auf und können z.B. auch ungleichmäßige Durchströmungen des Katalysatormaterials sichtbar machen. Durch gezielte Verbesserungen können Abgasgrenzwerte eingehalten werden, der Energieeinsatz sinkt und die Lebensdauer der Anlage kann gesteigert werden. Dabei können verschiedene Last- und Teillastfälle in der Simulation dargestellt, verglichen und einzeln optimiert werden.

Brenner, Feuerstellen und industrielle Heizsysteme

Kaminöfen erfreuen sich aufgrund der wohligen Wärme, die sie abstrahlen, nach wie vor großer Beliebtheit, doch die Anforderungen einer möglichst sauberen Verbrennung und geringe Feinstaubwerte stellen die Hersteller immer wieder vor Herausforderungen. Ähnliches gilt auch für Brenner und Heizsysteme im industriellen Maßstab, die das Herzstück vieler industrieller Prozesse darstellen. Hier werden höhere Effizienz, geringere Emissionen, andere Energieträger oder elektrische Befeuerung gefordert, während hohe Leistungen und eine gleichförmige Heizcharakteristik gefragt sind – all dies erfordert neue Konzepte und viele Tests.

Bereits in der Entwicklungsphase liefern Simulationen wichtige Erkenntnisse zu Verbrennungsprozessen, Wärmeübertragung oder Strömungsführung. Hierdurch lassen sich Brennerkonzepte, Luft- und Brennstoffführung und viele andere Details des Verbrennungsvorgangs sehr detailliert und schnell betrachten und intuitiv optimieren, bevor erste Prototypen gebaut werden. Auch das Zusammenspiel von Brenner, Ofenraum und Gesamtprozess lässt sich realistisch analysieren und abstimmen, mit dem Ergebnis eines besseren Wirkungsgrades, gesteigerter Prozess- und Betriebssicherheit sowie angepasstem Emissionsverhalten.

Oberflächentechnik und weitere Prozesse

Auch in vielen spezialisierten Bereichen abseits klassischer Verbrennungsanwendungen spielt Thermoprozesstechnik einen entscheidenden Part. In der Oberflächentechnik und bei Beschichtungsverfahren, in der Glas- und Keramikherstellung oder bei Sinter- und Wärmebehandlungsverfahren kommt es auf exakte Temperaturführung an, während die Materialien und Produkte empfindlich auf kleinste Prozessfehler reagieren.

Während die Betrachtungen zu Effizienz und Emissionen hier ähnlich ausfallen, wie bei anderen Thermoprozessen, hilft Simulation speziell dabei, die thermischen Belastungen, Temperaturgradienten und zeitlichen Prozessabläufe besser zu verstehen und gezielt zu steuern. Dies hilft, die Prozessfenster genau zu definieren und einzuhalten, um Spannungen, Verzug, Risse und sonstige Materialfehler zu reduzieren. Gerade bei neuen Entwicklungen oder neuen Materialien, bei denen Sie nicht auf Erfahrungswerte zurückgreifen können, profitieren Sie von virtuellen Analysen, um die Entwicklungszeit zu verkürzen und kostspielige Fehlversuche zu vermeiden.

Der Prozess ist mehr als die Summe der Teile

Thermische Prozesse in Industrie und Anlagenbau lassen sich selten auf einen einzelnen physikalischen Aspekt reduzieren. Regelmäßig müssen Strömung, Wärmeübertragung, chemische Reaktionen und mechanische Belastungen gleichzeitig betrachtet werden, die sich gegenseitig beeinflussen. Änderungen an einer Stelle – etwa an der Heizleistung, der Strömungsführung oder der Beladung – haben direkte Auswirkungen auf Temperaturverteilung, Materialverhalten, Prozessqualität und Emissionen.

Diese Zusammenhänge, deren Auswirkungen sich vorab kaum abschätzen lassen, bilden multiphysikalische Simulationen realitätsnah ab. Sie ermöglichen es, Strömungssimulation mit thermischer Analyse, Reaktionsmodellen oder struktureller Berechnung zu kombinieren und so das Verhalten gesamter Anlagen und Komponenten ganzheitlich zu verstehen. So werden nicht nur Einzelparameter optimiert, sondern der Prozess als Ganzes in ein optimales Gleichgewicht gebracht.

Dieser integrierte Ansatz liefert nicht nur bessere Ergebnisse, sondern schafft auch Transparenz. Simulation hilft dabei, Risiken zu minimieren, die Entwicklung zu beschleunigen und über Konzeption, Entwicklung und Betrieb hinweg fundierte Entscheidungen zu treffen.

Überzeugen Sie sich von unseren erfolgreichen Referenzen:

Häufige Fragen rund um die Simulation Thermischer Prozesse und Anlagen

Sie haben Herausforderungen, für die Sie Antworten suchen, oder möchten wissen, wie einzelne Anforderungen abgebildet werden können? Hier gehen wir auf die häufigsten Fragen zum Start ein.

Welche thermischen Prozesse lassen sich simulieren?

Grundsätzlich lassen sich nahezu alle industriellen Prozesse simulieren, bei denen Temperatur, Strömung und Materialverhalten eine Rolle spielen. Dazu gehören unter anderem:

Wärmebehandlung von Metallen (Härten, Anlassen, Vergüten)
Prozesse in Industrieöfen und Trocknern
Brenner- und Hochtemperatur-Heizsysteme
Thermische Abgasreinigung und Abgasnachbehandlung
Sinter-, Beschichtungs- oder Keramikprozesse
Kontinuierliche Durchlauf- und Bandanlagen
Trocknungs- und Vergütungsprozesse in der Oberflächentechnik

Sowohl stationäre als auch transiente Vorgänge – etwa Aufheiz-, Abkühl- oder Lastwechselphasen – können realitätsnah abgebildet werden. Entscheidend ist, welche physikalischen Effekte für Ihren Prozess maßgeblich sind.

Was sind die Unterschiede zwischen thermischer Simulation, Strömungssimulation und multiphysikalischer Simulation im Kontext von Thermoprozessen?

Während thermische Simulation sich auf Wärmeübertragung und Temperaturverteilung in Bauteilen oder Anlagen konzentriert, stellt Strömungssimulation (CFD) das Verhalten von Gasen oder Flüssigkeiten dar – etwa Strömungsführung, Verwirbelungen, Druckverluste oder Verweilzeiten.

Multiphysikalische Simulation kombiniert mehrere physikalische Disziplinen in einer Simulation. In der Thermoprozesstechnik werden häufig Strömung, Wärmeübertragung, chemische Reaktionen und strukturelle Effekte miteinander gekoppelt. Dies ist nötig, um ein realistisches Abbild der Zustände innerhalb der Anlage zu erhalten. Häufig werden etwa der Einfluss der Strömung auf die Temperaturverteilung oder aus Temperaturunterschieden resultierende Spannungen untersucht.

Welche Einsparpotenziale ergeben sich aus der Simulation?

Grundsätzlich unterstützt Simulation dabei, technische Verbesserungen zu erzielen, die sich ebenfalls in wirtschaftlichen Vorteilen äußern.
Typische Einsparpotenziale finden sich z.B. bei:

Reduzierung physischer Prototypen und Testläufe
Kürzere Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten
Optimierter Energieeinsatz
Minimierung von Ausschuss und Nacharbeit
Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten
Sichere Einhaltung von Emissions- und Effizienzvorgaben

Weitere Vorteile liegen in einer verbesserten Unterstützung beim Vergleich verschiedener Designvarianten. Simulation macht die Vor- und Nachteile verschiedener Konzepte transparent und vergleichbar, was zu fundierteren Investitionsentscheidungen und geringeren Risiken führt.

Wie lassen sich reale Betriebsdaten in Modelle integrieren?

Reale Betriebs- und Messdaten können zur Kalibrierung und Validierung von Simulationsmodellen genutzt werden. Dazu zählen beispielsweise:

Temperaturmessungen
Druck- und Durchflusswerte
Emissionsdaten
Materialkennwerte

Durch den Abgleich zwischen Simulation und realen Betriebszuständen entsteht ein validiertes Modell, das nicht nur für die Entwicklung, sondern auch für Optimierungen im laufenden Betrieb eingesetzt werden kann. In weiterführenden Anwendungen kann daraus ein digitaler Zwilling entstehen, der reale Prozessdaten kontinuierlich berücksichtigt.

Wie hoch ist der Aufwand für die Simulation meiner Prozesse oder Anlagen?

Pauschale Aussagen sind hier meist nicht sinnvoll, denn neben der Frage, nach dem Aufwand für eine Simulation sollte man immer auch überlegen, was überhaupt alles in die Analyse einbezogen werden muss. Gerade für Firmen, die noch wenig mit CAE arbeiten, lassen sich schon durch mehrere kleine, isolierte Betrachtungen große Vorteile realisieren, während umfassende Simulationen oder ein vollständiger digitaler Prototyp schnell den zeitlichen Rahmen sprengen.

Ganz grundsätzlich kann man jedoch sagen, dass der Aufwand von mehreren Faktoren abhängt:

Komplexität der Geometrie
Anzahl der zu berücksichtigenden physikalischen Effekte und deren Wechselwirkungen
Detailtiefe der gewünschten Ergebnisse
Verfügbarkeit von Material- und Betriebsdaten

Einzelne Fragestellungen, etwa zur Strömungsverteilung oder Temperaturhomogenität, lassen sich also häufig schon mit geringem Aufwand analysieren. Umfangreiche multiphysikalische Modelle erfordern entsprechend mehr Vorbereitungs- und Rechenzeit und sind auch in der Auswertung aufwendiger.

In der Praxis unterstützen wir Sie dabei, den Simulationsumfang gezielt an die Fragestellung anzupassen, sodass Aufwand und Nutzen in einem wirtschaftlich sinnvollen Verhältnis stehen und Sie schnell relevante Ergebnisse erhalten.

Potenziale erkennen und nutzen!

Was ist der richtige Weg, um Ihre Herausforderungen anzugehen? Software ist nicht alles, es kommt auch auf richtige Implementierung, Prozesse und Ausbildung an! Nachhaltige Verbesserungen brauchen starke Partnerschaften, daher stehen wir Ihnen zur Seite mit Expertise, Best-In-Class-Technologien und dem Verständnis für die Anforderungen des Mittelstands.

Lassen Sie uns gemeinsam schauen, wo Sie stehen!

Unverbindlichen Beratungstermin vereinbaren