Experimentelle und numerische Untersuchung der kryogenen Kühlung für Fertigungsprozesse

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kühlung
von Werkstücken aus Ti-6Al-4V während Zerspanungsprozessen mittels flüssigem
Stickstoff (LN2). Das Ziel ist es, die Kühlleistung unter definierten
Bedingungen präzise zu ermitteln. Dabei werden die physikalischen Prozesse
der Kühlung sowohl experimentell als auch numerisch detailliert untersucht.
Ein Großteil der Arbeit beschäftigt sich damit, die zugeführte LN2-Strömung
experimentell zu charakterisieren, wodurch Anfangs- und Randbedingungen
genau bekannt sind. Dies ermöglicht einen Vergleich zwischen Experiment und Simulation, sodass die ermittelten Wärmeübergänge gegeneinander validiert werden können. ... mehrDie in dieser Arbeit vorgestellten Simulationsmodelle
beinhalten verschiedene Detaillierungsstufen. Dabei wird der Phasenübergang
von flüssig nach gasförmig in detaillierten Modellen für einen einzelnen
Stickstofftropfen untersucht. Die Ergebnisse dienen dazu, empirische Verdampfungsmodelle
abzuleiten, welche weniger rechenintensiv sind. Dies ermöglicht
den Aufbau eines komplexen ganzheitlichen Simulationsmodells, welches die
Kühlleistung von LN2 unter Berücksichtigung des Phasenübergangs präzise
vorhersagen kann. Mit dem beschriebenen Modell werden Parameterstudien
durchgeführt, um den Einfluss charakteristischer Größen des Stickstoffstrahls
auf die Kühlleistung zu ermitteln. Die durchgeführten Untersuchungen ergaben,
dass Größen wie die Anströmgeschwindigkeit, der Dampfgehalt, das
Strömungsmuster sowie der Anströmwinkel einen erheblichen Einfluss auf
den sich einstellenden Wärmeübergang haben. Abschließend wird ein ganzheitliches
Simulationsmodell vorgestellt, das die Wechselwirkung zwischen
der LN2-Strömung und dem Festkörper beschreibt. Hierbei wird nicht nur der
Wärmeübergang an der Kontaktfläche Festkörper-Fluid beschrieben, sondern
ebenfalls die Abkühlung des Festkörpers im Volumen zeitlich und örtlich
aufgelöst und mit experimentellen Messungen verglichen.
Es zeigt sich, dass die experimentell als auch die numerisch bestimmten
Daten quantitativ und qualitativ sehr gut übereinstimmen. Die vorgestellten
Modelle können ohne Weiteres auf andere Anwendungsgebiete erweitert
werden und sind somit nicht auf den reinen Zerspanungsprozess beschränkt.
Insgesamt liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse zur effizienten Optimierung
der Kühlleistung von LN2.

The present work deals with the investigation of the cooling of Ti-6Al-4V
workpieces during machining processes using liquid nitrogen (LN2). The aim
is to determine the cooling performance precisely for defined conditions. The
physical processes of cooling are examined in detail both experimentally and
numerically.
A large part of the work deals with the experimental characterization of the
supplied LN2 flow, which enables precise knowledge of initial and boundary
conditions. This allows for a comparison between experiment and simulation,
so that the determined heat transfers can be validated against each other. ... mehr
The simulation models presented in this work include different levels of detail.
The phase transition from liquid to gas is examined in detailed models for a
single nitrogen droplet. The results are used to derive empirical evaporation
models that are less computationally intensive. This enables the construction
of a complex holistic simulation model that can accurately predict the cooling
performance of LN2 while taking the phase transition into account. Parameter
studies are conducted with the described model to determine the influence of
characteristic parameters of the nitrogen jet on the cooling performance. The
conducted studies have shown that parameters such as flow velocity, vapor
content, multiphase pattern, and jet angle have a significant influence on the
resulting heat transfer. Finally, a holistic simulation model is presented that
describes the interaction between the LN2 flow and the solid body. This not
only describes the heat transfer at the solid-fluid contact surface, but also
resolves the cooling of the solid body in volume over time and space and
compares it with experimental measurements.
It is shown that both experimentally and numerically determined data
agree very well both quantitatively and qualitatively. The models presented
can be easily extended to other application areas and are not limited to the
pure machining process. Overall, the work provides important insights into
the efficient optimization of the cooling performance of LN2.