Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul BEHE legt Begleitheizungen für Rohrleitungen aus. Begleitheizungsrohre (Tracer) verlaufen unter der Isolierung parallel zum Produktrohr und gleichen dessen Wärmeverluste aus, damit das Medium auf Temperatur bleibt — unverzichtbar bei stockpunktkritischen Produkten wie Schwefel, Bitumen oder Fettsäuren, bei kristallisierenden Lösungen und beim Frostschutz von Wasser- und Kondensatleitungen. Berechnungsgrundlagen sind die Auslegungsmethode von W. W. Blackwell (Estimate heat-tracing requirements for pipelines, 1982) sowie Groeneveld/Gerdts, Begleitheizungssysteme für Industrieanlagen (1973).
Aus der Geometrie von Produktrohr, Isolierung und Heizrohren, den Temperaturen von Produkt und Umgebungsluft sowie der Windgeschwindigkeit berechnet das Modul den äußeren Wärmeübergangskoeffizienten, den Wärmedurchgangskoeffizienten und den gesamten Wärmeverlust der Leitung. Daraus folgen die erforderliche Anzahl der Begleitheizungsrohre und der Heizmittelbedarf — typischerweise Sattdampf als Heizmedium. Für einphasige Heizfluide wird unterschieden, ob die Tracer mit oder ohne Wärmeleitzement verlegt sind, und die Nennweite kann über die Strömungsgeschwindigkeit optimiert werden.
Damit lässt sich eine dampfbeheizte Begleitheizung berechnen und dokumentieren: Wärmeverlust der isolierten Rohrleitung, Traceranzahl und Dampfverbrauch für die Auslegung des Begleitheizungssystems im Anlagenbau.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Estimate heat-tracing requirements for pipeline W. Wayne Blackwell, Ford, Bacon & Davis / Texas Inc. September 1982; Begleitheizungssysteme für Industrieanlagen Wilhelm Groeneveld / Gustav F. Gerdts KG 1973
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie von Rohr und Isolierung erfassen: Eingegeben werden Außendurchmesser und Länge des Produktrohrs, Innen- und Außendurchmesser bzw. Dicke der Isolierung, deren Wärmeleitfähigkeit sowie der Spalt zwischen Isolierung und Heizrohr und der Außendurchmesser der Begleitheizungsrohre.
- Randbedingungen festlegen: Maßgebend sind die zu haltende Produkttemperatur, die tiefste anzusetzende Außenlufttemperatur und die Windgeschwindigkeit. Aus Wind und Temperaturdifferenz wird der äußere Wärmeübergangskoeffizient an der Isolieroberfläche bestimmt.
- Wärmeverlust der isolierten Leitung berechnen: Aus dem Leitungswiderstand der Isolierschicht (Zylindergeometrie) und dem äußeren Übergangswiderstand ergibt sich der Wärmedurchgangskoeffizient; multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen Produkt- und Lufttemperatur und der Rohrlänge folgt der gesamte Wärmeverlust, der von der Begleitheizung gedeckt werden muss.
- Traceranzahl bestimmen: Die von einem Begleitheizungsrohr übertragbare Leistung hängt von der Heizmitteltemperatur und der Wärmeanbindung ab — mit Wärmeleitzement ist der Übergang zum Produktrohr um ein Mehrfaches besser als bei loser Verlegung im Luftspalt. Aus Verlustleistung und Tracerleistung folgt die erforderliche Anzahl der Heizrohre.
- Heizmittelbedarf und Nennweite optimieren: Aus der abzugebenden Wärmeleistung wird der Heizmittelbedarf berechnet — bei Sattdampf über die Verdampfungsenthalpie, bei einphasigen Fluiden über Massenstrom und Abkühlung. Die Nennweite der Tracer wird anhand zulässiger Strömungsgeschwindigkeiten geprüft und gegebenenfalls angepasst.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Produkttemperatur | ϑP | °C |
| Lufttemperatur (außen) | ϑL | °C |
| Länge | l | m |
| Innendurchmesser der Isolation | Dinsu,i | m |
| Außendurchmesser der Isolation | Dinsu,o | m |
| Wärmeleitfähigkeit der Isolation | λ | W/(m·K) |
| Äußerer Wärmeübergangskoeffizient | αa | W/(m²·K) |
| Wärmedurchgangskoeffizient | k | W/(m²·K) |
| Wärmeverlust gesamt | Q | W |
| Dicke der Isolation | (Dinsu,o - Dinsu,i) / 2 b | m |
| Eintrittstemperatur | ϑe | °C |
| Austrittstemperatur | ϑa | °C |
| Mittlere Temperatur | ϑm | °C |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Dampfdruck des Sattdampfes | pD | Pa |
| Dampftemperatur | ϑD | °C |
| Verdampfungsenthalpie | Δhv | J/kg |
| Außendurchmesser | D | m |
| Spalt zwischen Isolation und Heizrohr | s | m |
| Erforderlicher Dampfmassenstrom | m | kg/s |
| Außendurchmesser der Heizrohre | d | m |
| Anzahl der Heizrohre ohne Zement | n1 | - |
| Strömungsgeschwindigkeit des Heizmediums | w1 | m/s |
Berechnungsoptionen
Heizmedium
Fluid · Sattdampf
Gelöstes Beispiel
Eine 25 m lange Produktleitung DN 100 ist mit 50 mm Mineralwolle isoliert (Isolierung innen 133 mm, außen 233 mm). Das Produkt soll auf 80 °C gehalten werden; die Auslegungs-Außentemperatur beträgt −10 °C bei Wind (äußerer Wärmeübergangskoeffizient 20 W/(m²·K)). Gesucht ist der Wärmeverlust, den die Begleitheizung decken muss.
Gegebene Werte
| Rohrlänge L | 25 m |
| Isolierung innen di / außen da | 133 mm / 233 mm |
| Wärmeleitfähigkeit Isolierung λ | 0,05 W/(m·K) |
| Produkttemperatur (Haltetemperatur) | 80 °C |
| Außenlufttemperatur | −10 °C |
| Äußerer Wärmeübergangskoeffizient αa | 20 W/(m²·K) |
Lösungsweg
Wärmeleitwiderstand der Isolierschicht (je Meter)
RIso = ln(da/di) / (2π·λ) = ln(233/133) / (2π · 0,05) ≈ 1,785 (m·K)/W
Äußerer Übergangswiderstand (je Meter)
Ra = 1 / (π·da·αa) = 1 / (π · 0,233 · 20) ≈ 0,068 (m·K)/W
Der Isolierwiderstand dominiert deutlich — typisch für gut isolierte Leitungen.
Wärmeverlust je Meter und gesamt
q = (TP − TL) / (RIso + Ra) = (80 − (−10)) / (1,785 + 0,068) ≈ 48,6 W/m
Q = q · L = 48,6 · 25 ≈ 1 214 W ≈ 1,2 kW
Diese Leistung muss die Begleitheizung stationär aufbringen; mit ihr werden anschließend Traceranzahl (mit/ohne Wärmeleitzement) und Dampfbedarf bestimmt.
Ergebnis
| Wärmeverlust je Meter | ≈ 48,6 W/m |
| Gesamter Wärmeverlust Q | ≈ 1,2 kW |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Was bringt Wärmeleitzement bei der Tracerverlegung?
Ohne Wärmeleitzement liegt das Heizrohr nur linienförmig am Produktrohr an; die Wärme muss überwiegend über den Luftspalt unter der Isolierung übertragen werden, was den Wärmeübergang stark begrenzt. Wärmeleitzement stellt eine flächige, gut leitende Verbindung zwischen Tracer und Rohr her und erhöht die übertragbare Leistung je Heizrohr etwa um den Faktor drei bis fünf. Dadurch sinkt die erforderliche Traceranzahl — wichtig bei großen Rohrdurchmessern oder hohen Haltetemperaturen.
Hält die Begleitheizung das Produkt auf Temperatur oder heizt sie es auf?
Die klassische Auslegung ist eine Halteberechnung: Die Tracerleistung deckt den stationären Wärmeverlust bei Auslegungs-Außentemperatur und hält so die Produkttemperatur. Das Aufheizen einer erkalteten, stillstehenden Leitung erfordert erheblich mehr Leistung (Aufheizen von Rohrstahl und Inhalt gegen die laufenden Verluste) und deutlich längere Zeiten — soll auch dieser Fall abgedeckt werden, muss er separat mit Aufheizzeitvorgabe gerechnet werden.
Welche Rolle spielt die Windgeschwindigkeit?
Der äußere Wärmeübergangskoeffizient an der Isolieroberfläche steigt mit der Windgeschwindigkeit deutlich an. Bei gut isolierten Leitungen dominiert zwar der Isolierwiderstand, sodass der Windeinfluss auf den Gesamtverlust moderat bleibt; bei dünner Isolierung, an Halterungen und Armaturen kann er aber erheblich sein. Ausgelegt wird mit der ungünstigen Kombination aus tiefster Lufttemperatur und Auslegungswind, nicht mit Mittelwerten.
Warum wird meist Sattdampf als Heizmedium eingesetzt?
Sattdampf gibt seine Wärme bei konstanter Temperatur durch Kondensation ab — die Tracertemperatur ist damit über die gesamte Länge definiert und die übertragene Leistung pro Meter nahezu gleichmäßig. Über den Dampfdruck lässt sich die Heiztemperatur einstellen. Zu beachten sind die Kondensatabführung (Gefälle, Kondensatableiter je Tracerstrang) und bei temperaturempfindlichen Produkten die Gefahr lokaler Überhitzung, die für eine niedrigere Dampfstufe oder Warmwasser sprechen kann.