Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul AnnexB ermittelt die Berechnungstemperatur des Flammrohrs eines Großwasserraumkessels nach dem informativen Anhang B der Norm für die Berechnung drucktragender Kesselteile (EN 12953-3). Das Flammrohr ist das thermisch höchstbeanspruchte Bauteil eines Flammrohr-Rauchrohrkessels: Es nimmt die Strahlungswärme der Flamme direkt auf, und seine Wandtemperatur entscheidet über die zulässige Berechnungsspannung und damit über die erforderliche Wanddicke.
Die Berechnung geht von der Feuerungswärmeleistung, dem Berechnungsdurchmesser und der Oberfläche des Flammrohrs aus. Über den Strahlungsansatz mit theoretischer Flammentemperatur, Emissionskoeffizient und Stefan-Boltzmann-Konstante wird die maximale Wärmestromdichte an der Flammrohroberfläche bestimmt. Daraus folgen die maximale Flammrohrtemperatur und die Temperatur in Wandmitte, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Flammrohrwerkstoffs und gegebenenfalls einer feuerseitigen Beschichtung eingehen.
Wer die Flammrohrtemperatur berechnen muss – etwa bei der Auslegung eines Dampfkessels, bei Brennerumbauten oder bei der Bewertung erhöhter Feuerungsleistungen – erhält mit diesem Modul die normgerechte Berechnungstemperatur als Eingangsgröße für den Festigkeitsnachweis des Flammrohrs.
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie und Feuerungsdaten erfassen: Berechnungsdurchmesser und Oberfläche des Flammrohrs sowie die Feuerungswärmeleistung werden eingegeben. Aus Brennstoff und Feuerungsart folgen die theoretische Flammentemperatur und der Emissionskoeffizient nach Tabelle B.1.
- Strahlungswärmestrom bestimmen: Mit der Stefan-Boltzmann-Konstante, der theoretischen Flammentemperatur und dem Emissionskoeffizienten wird der Strahlungsaustausch zwischen Flamme und Flammrohrwand bilanziert; Betriebsparameter und der Feuerraumwirkungsgrad erfassen die Abkühlung der Flamme längs des Flammrohrs bis zur Temperatur am Ende des Feuerraums.
- Maximale Wärmestromdichte ermitteln: Aus der Bilanz folgt die maximale örtliche Wärmestromdichte an der Flammrohroberfläche – die maßgebende Größe für die Temperaturdifferenz über die Wand. Die zugehörige Bedingung wird geprüft, um den Gültigkeitsbereich des Ansatzes einzuhalten.
- Wandtemperaturen berechnen: Mit der Wärmeleitfähigkeit des Flammrohrwerkstoffs nach Tabelle B.2 – und, falls vorhanden, der einer feuerseitigen Beschichtung – werden die maximale Flammrohrtemperatur und die Temperatur in der Mitte der Wanddicke bestimmt.
- Berechnungstemperatur für den Festigkeitsnachweis übernehmen: Die ermittelte Temperatur in Wandmitte dient als Berechnungstemperatur des Flammrohrs; mit ihr werden die Festigkeitskennwerte des Werkstoffs für die Wanddicken- und Stabilitätsnachweise des Flammrohrs ausgewertet.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Variable 4 | – | – |
| Variable 6 | – | – |
| Variable 7 | pc | – |
| Variable 8 | tc | – |
| Variable 9 | thw | – |
| Variable 10 | H | – |
| Variable 11 | L | – |
| Variable 12 | es | – |
| Variable 13 | efa | – |
| Variable 14 | h | – |
| Variable 15 | D | – |
| Variable 16 | Dmax | – |
| Variable 17 | Dmin | – |
| Variable 36 | ϑhmf | – |
| Variable 37 | ϑmg | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Variable 19 | Dg | – |
| Variable 20 | A | – |
| Variable 21 | tfth | – |
| Variable 22 | σ | – |
| Variable 23 | ε | – |
| Variable 24 | m | – |
| Variable 25 | a | – |
| Variable 26 | u | – |
| Variable 27 | tfe | – |
| Variable 28 | η | – |
| Variable 29 | k | – |
| Variable 30 | Φ1 | – |
| Variable 31 | – | – |
| Variable 32 | λs | – |
| Variable 33 | λ | – |
| Variable 34 | Φb | – |
Berechnungsoptionen
Variable 4
Plain tube · Corrugated tube
Variable 6
Oil · Gas
Häufige Fragen
Warum genügt es nicht, für das Flammrohr die Sattdampftemperatur als Berechnungstemperatur anzusetzen?
Das Flammrohr nimmt hohe Strahlungswärmestromdichten auf; über den wasserseitigen Wärmeübergang und die Wandleitung stellt sich eine Wandtemperatur deutlich oberhalb der Sattdampftemperatur ein. Die Norm verlangt deshalb, die Berechnungstemperatur aus Sattdampftemperatur plus Zuschlägen für Wärmeübergang und Wanddicke zu bilden – Anhang B liefert dafür den detaillierten Rechenweg über den Strahlungsansatz.
Welche Rolle spielt der Emissionskoeffizient und woher kommt sein Wert?
Der Emissionskoeffizient beschreibt das Strahlungsverhalten der Flamme und hängt vom Brennstoff ab: Leuchtende Öl- und Kohlestaubflammen strahlen stärker als schwach leuchtende Gasflammen. Die Werte werden zusammen mit der theoretischen Flammentemperatur der Tabelle B.1 der Norm entnommen. Ein zu niedrig angesetzter Koeffizient unterschätzt die Wärmestromdichte und damit die Wandtemperatur – ein sicherheitsrelevanter Fehler.
Was bewirkt eine feuerseitige Beschichtung oder Verschmutzung des Flammrohrs?
Jede zusätzliche Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit erhöht den Temperaturabfall zwischen Feuerraum und Wasser und hebt die Metalltemperatur an. Die Berechnung berücksichtigt dies über die Wärmeleitfähigkeit des feuerseitigen Belagsmaterials. In der Praxis ist das auch der Grund, warum wasserseitige Kesselsteinbeläge streng begrenzt werden müssen: Sie wirken als isolierende Schicht und können das Flammrohr überhitzen.
Wann wird die Nachrechnung nach Anhang B besonders wichtig?
Immer dann, wenn die spezifische Feuerraumbelastung hoch ist oder sich ändert: bei kompakten Kesseln mit hoher Feuerungswärmeleistung, bei Brennertausch mit geänderter Flammengeometrie oder bei Leistungserhöhungen bestehender Kessel. Auch die Bewertung, ob die maximale Wärmestromdichte die zulässigen Grenzen einhält, gehört in diesen Fällen zum Nachweis.