Ingenieurskunst

Hintergrund

• Ich beobachte immer wieder, wie Ingenieure sich teurer und aufwendiger Simulationsrechnungen bedienen, um Aussagen über die Funktionsfähigkeit ihrer Maschinen zu erlangen, die durch eine Abschätzung mit Bleistift und Papier in wenigen Minuten getroffen werden können. Hier stellt sich die Frage, wie eine gute Abschätzung getroffen werden kann und womit sie untermauert werden soll.
• Aussagekräftige Experimente sind die Grundlage für Forschung und Entwicklung. Allerdings besteht die Schwierigkeit, dass in der Praxis eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt werden müssen. Oft hat man es in der Praxis mit komplexen Aufgabenstellungen zu tun, bei denen der Weg und das Ziel unbekannt sind. In Anbetracht dieser Tatsache hat sich in meiner Praxis eine Vorgehensweise bewährt, die im Folgenden erläutert werden soll.
• Hilfestellung bietet hier die Definition des Experiments
• Wenn es ein Messverfahren gibt, dass ein Problem erfasst, ist dieses Problem gelöst.
• Es gibt keine allgemein beste Technologie für einen Anwendungsfall. Es gibt nur für einen konkreten Spezialfall die optimale Technologie.

Vorgehensweise beim Experimentieren

Allgemein

• Rechenexperimente und praktische Experimente werden parallel durchgeführt.
• Die praktischen Experimente sollen die Rechenexperimente verifizieren.
• Die Rechenexperimente dienen dazu, die praktischen Experimente zu planen.

Arbeitsschritte

• Im ersten Schritt wird ein Experiment durchgeführt, bei dem so gut wie alle störenden Faktoren eliminiert sind. Das Erste Experiment soll den wesentlichen physikalischen Effekt möglichst isoliert sichtbar machen. Das Ergebnis wird dokumentiert und in einem Diagramm dargestellt.
• In den weiteren Schritten wird jeweils eine Störgröße nach der anderen in das Experiment integriert und kontrolliert. Die Ergebnisse werden dokumentiert und in das gleiche Diagramm wie das erste Experiment gezeichnet.
• Die Ergebnisse nähern sich von Schritt zu Schritt dem Parametern an, der von dem späteren Prototypen der zu entwickelnden Maschine zu erwarten sind.

Bewertung

• Die Ergebnisse der Experimente sind immer als Maßstab zu sehen, an dem der Prototyp gemessen werden kann.
• Die Ergebnisse der Experimente liefern Muster, an denen die Wirkungen physikalischer Effekte erkannt werden können. Das wiederum hilft später, den Prototypen zu bewerten.

Durchführung von Schätzungen

• Schätzungen im Bereich der Technik werden am besten über die Anwendung mehrerer physikalischer Theorien durchgeführt, deren Ergebnis die maximal möglichen Werte und die minimal möglichen Werte einer technischen Situation erfassen. Dabei ist es ratsam, mit einer physikalischen Theorie zu beginnen und dann nacheinander eine Theorie nach der anderen hinzuzufügen und den Verlauf der Änderung des Ergebnisses beobachten.
• Angenommen, der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors soll geschätzt werden, der eine Wärmequelle von 500 °C und eine Wärmesenke von 50°C besitzt. Der Stirlingmotor hat somit einen maximal möglichen Wirkungsgrad (Carnot-Wirkungsgrad) von 58 %. Allerdings verursachen die Wärmetauscher, die die Wärme in den Motor und wieder heraus leiten, einen Temperaturverlust von jeweils 50 °C. Dadurch verringert sich der Wirkungsgrad auf 48 %. Da der reale Stirlingprozess vom idealen Stirlingprozess Prozess abweicht,(exergetischer Wirkungsgrad von 80%), verringert sich der Wirkungsgrad des Motors auf 38%. Die mechanischen Getriebeteile haben einen Wirkungsgrad von ca 90%. Das bedeutet, dass sich der Wirkungsgrad des Strilingmotors auf 34 % verringert.
• Auf diese Weise kann die Schätzung immer genauere Ergebnisse liefern.