Entwicklung und experimentelle Verifizierung eines neuartigen Induktionsheizkörpers

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Abstract

Diese Forschungsarbeit untersucht ein Konzept zur elektrischen Prozesswärmeerzeugung für industrielle Hochtemperaturanwendungen. Ziel ist die Entwicklung und experimentelle Verifizierung eines neuartigen, porösen Induktionsheizkörpers als emissionsfreie Alternative zu konventionellen gasbefeuerten Heißlufterzeugern. Als Anwendungsbeispiel dient ein Aluminiumschmelzofen, dessen Betrieb energetisch bilanziert und hypothetisch auf induktive Beheizung umgestellt wird. Die Analyse zeigt eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von 12,8 % (Erdgasbetrieb) auf 19,5 % (Induktionsbetrieb), basierend auf einem geschätzten Heizkörperwirkungsgrad von 85 %. Eine abschließende Validierung dieses Wertes unter Hochtemperaturbedingungen erfordert weiterführende Luftdurchströmungsmessungen außerhalb dieser Arbeit. Im experimentellen Teil kommen vier Werkstoffproben zum Einsatz: zwei Schaumkeramiken sowie zwei 3D-gedruckte Strukturen (Diamant- und Gyroidstruktur). Die kalorimetrischen Messungen bestätigen das Effizienzpotenzial der Strukturen. Die Hypothese, dass eine gezielte Schlitzung die Wärmeübertragung verbessert, lässt sich eindeutig bestätigen: Für die Diamantstruktur ergibt sich eine Wirkungsgradsteigerung um 3,39 %P, für die Gyroidstruktur um 1,74 %P. Schlitze erweisen sich damit als effektive und zugleich kostengünstige Maßnahme zur Effizienzsteigerung. Die Gyroid-Variante mit 12 Schlitzen erreicht einen maximalen Wirkungsgrad von 66,58 % und stellt damit die am besten abschneidende Probe dar. Ergänzend wurde ein eindimensionales elektrothermisches Simulationsmodell an den Versuchsaufbau angepasst und mit den experimentellen Daten validiert: Der Vergleich der Temperaturverläufe ergibt eine maximale Abweichung von 20 %, womit das Modell als zuverlässig gilt. Es erlaubt eine effiziente Vorauslegung neuer Proben hinsichtlich Materialeigenschaften und Geometrie und reduziert signifikant den experimentellen Aufwand. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial induktiver Heizsysteme für energieintensive Industrieprozesse. Die Arbeit schafft eine fundierte Grundlage für die Entwicklung skalierbarer, emissionsfreier Technologien zur elektrifizierten Hochtemperatur-Prozesswärmeerzeugung und leistet einen Beitrag zur industriellen Wärmewende. Aufbauend auf diesen Ergebnissen schließen sich weiterführende Untersuchungen zur Skalierung und Praxiserprobung an.

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• Entwicklung und experimentelle Verifizierung eines neuartigen Induktionsheizkörpers. (deposited 08 Dec 2025 15:28) [Currently Displayed]