Verknüpfte optische und thermische Simulationen von Infrarot-Heizöfen für Pulverbeschichtungs-Prozesse

Infrarot-Heizöfen zum Aufschmelzen von Pulverlacken sind eine nachhaltige Alternative zu bisherigen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Öfen. Um die nötige individuelle Steuerung der Infrarot-Strahler zu verwirklichen, müssen die kritischen Leistungsparameter erfasst und verstanden werden. Bisher wurde gezeigt, dass eine homogene Bestrahlungsstärke innerhalb einer hochreflektierenden oktogonalen Kammer auch bei komplexen Geometrien der zu erwärmenden Teile erreicht werden kann. Allerdings weichen die Messungen der Oberflächentemperatur aufgrund von Wärmeleitung innerhalb des Bauteils teilweise von den simulierten Temperaturverteilungen ab. Um auch diese Effekte in den Simulationen zu berücksichtigen, wurden die jeweils aus der optischen Simulation gewonnenen Verteilungen der Bestrahlungsstärke auf den Oberflächen einer weißen und einer schwarzen Probe als Eingabeparameter einer thermischen Simulation verwendet. Zusätzlich zu diesem Wärmefluss wurden auch Wärmestrahlung und Konvektion berücksichtigt. Mit diesem Modell wurden dann unterschiedliche Heiz- und Haltezeiten simuliert. Zum Vergleich der Simulationen mit den Messungen wurden im NAPUBEST Prototyp-Infrarotofen die realen Proben unter gleichen Bedingungen erhitzt und gemessen. Durch Anpassungen der optischen Parameter (BSDF) und Randbedingungen der thermischen Simulation werden die Simulationen mit den Messergebnissen abgeglichen. Ziel ist ein möglichst einfaches Simulationsmodell, welches schnelle und präzise Vorhersagen für die Steuerung einer späteren Produktionsanlage ermöglicht.