Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet die Filmtemperatur in Thermalölerhitzern auf Basis des VDI-Wärmeatlas und der Wärmetechnik organischer Wärmeträger nach Walter Wagner. Die maximale Filmtemperatur — die Temperatur des Ölfilms unmittelbar an der beheizten Rohrinnenwand — ist die zentrale Auslegungsgrenze eines Erhitzers: Überschreitet sie die zulässige Filmtemperatur des Wärmeträgeröls, crackt das Öl, bildet Beläge und altert beschleunigt. Die Berechnung verbindet dazu eine Feuerraumbilanz (Brennstoff, Brennerleistung, Luftüberschuss, Verbrennungsluftzustand) mit dem Wärmeübergang an den Rohrwendeln.
Auf der Feuerungsseite werden aus Brennstoff (Erdgas, Heizöl), unterem Heizwert, Luftüberschuss und Luftfeuchte die Rauchgasmenge, die theoretische und tatsächliche Verbrennungstemperatur sowie die Rauchgastemperaturen an den Umlenkungen und am Austritt bestimmt; die Strahlung der Flamme auf die Brennraumwendel geht über den Emissionsgrad Flamme–Wand ein. Daraus folgen mittlere und maximale Wärmestromdichte an der inneren Wendel und die mittlere Rohrwandtemperatur. Ölseitig liefern Volumenstrom und Wärmeübergang im Rohr den Temperaturanstieg zwischen Kern- und Wandtemperatur und damit die maximale Filmtemperatur.
Das Modul bildet unterschiedliche Wendelkonfigurationen ab: Brennraum- und Konvektionswendel seriell oder parallel durchströmt, Gegen- oder Gleichstromfahrweise, unterschiedliche Rohrabmessungen und ineinander gedrehte Mehrfachwendeln. Damit lässt sich schon in der Angebotsphase prüfen, ob ein Erhitzerkonzept die Filmtemperaturgrenze des gewählten Thermalöls einhält.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI Wärmeatlas, Walter Wagner: "Wärmetechnik mit organischen Medien" Reschverlag München
So läuft die Berechnung ab
- Feuerungsdaten festlegen: Brennstoff, unterer Heizwert, Brennerleistung bzw. Brennstoffmassen- oder -normvolumenstrom, Luftüberschuss sowie Temperatur, Druck und Feuchte der Verbrennungsluft werden vorgegeben. Daraus berechnet das Modul Rauchgasmassenstrom und Rauchgaszusammensetzung.
- Verbrennungs- und Feuerraumtemperaturen bestimmen: Aus der Energiebilanz folgt die theoretische Verbrennungstemperatur; empirische Faktoren führen auf die tatsächliche Flammentemperatur. Mit Feuerraumgeometrie (Durchmesser, Länge, Düsenfaktoren) und dem Emissionsgrad Flamme–Wand wird der Strahlungswärmestrom auf die Brennraumwendel und die Rauchgastemperatur am Feuerraumende berechnet.
- Wärmestromdichten an der Wendel ermitteln: Für die innere Brennraumwendel werden mittlere und maximale Wärmestromdichte bestimmt; die Ungleichverteilung durch Flammenstrahlung wird über das Verhältnis von maximaler zu mittlerer Wärmestromdichte erfasst. Die Rauchgastemperaturen an den Umlenkungen und am Austritt ergeben sich aus der zonenweisen Bilanz mit den Stoffwerten des Rauchgases (Dichte, Viskosität).
- Ölseitigen Wärmeübergang berechnen: Aus Öl-Volumenstrom, Rohrabmessungen und der Verschaltung der Wendeln (seriell/parallel, Gegen- oder Gleichstrom) folgt die Strömungsgeschwindigkeit in jedem Wendelstrang und daraus der innere Wärmeübergangskoeffizient, einschließlich des Wendel-Zuschlags gegenüber dem geraden Rohr.
- Filmtemperatur bestimmen und bewerten: An der Stelle maximaler Wärmestromdichte wird zur örtlichen Öltemperatur der Temperaturanstieg über den Ölfilm addiert; das Ergebnis ist die maximale Filmtemperatur. Sie wird mit der zulässigen Filmtemperatur des Wärmeträgeröls verglichen — bei Überschreitung sind höherer Ölvolumenstrom, andere Wendelverschaltung oder reduzierte Brennerleistung erforderlich.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Rohrinnendurchmesser | di di | m |
| Rohraußendurchmesser | da da | m |
| Wendeldurchmesser | Dwi Dwa | m |
| Wendelsteigung | hi ha | m |
| Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur | ϑ ϑ | °C |
| Feuerraumdurchmesser | D | m |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Kin. Viskosität | ν | m²/s |
| Spez. Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Brennstoff | Brennstoffs | – |
| Volumenstrom Massenstrom | Vtotal mtotal | kg/s |
| Geschwindigkeit | wi wa | m/s |
| Reynolds-Zahl | Rei Rea | - |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Wärmeübergangskoeffizient Faktor | αi f1 | - |
| Wärmeübergangskoeffizient Faktor | αi f1 | W/(m²·K) |
| Theoretische Temperatur Tatsächliche Temperatur | t_Th | °C |
| Empirische Faktoren | f0 fA | - |
| Theoretische Temperatur Tatsächliche Temperatur | T_F | °C |
| Nennleistung | QN | kW |
| Unterer Heizwert | Hu | kJ/kg |
| Feuerungstechnischer Wirkungsgrad | η = QN/QB · 100 | % |
| Massenstrom | Brennstoff | kg/h |
Berechnungsoptionen
Brennstoff
Erdgas · Heizöl EL · Heizöl S · Flüssiggas
Messblende
Keine Messblende · Am Sammlerstutzen · In jedem Rohr der Innenwendel
Strömungsführung
Gegenstrom · Gleichstrom
Schaltung mit Innenwendel
parallel · in Reihe
Schaltung mit Außenwendel
parallel · in Reihe
Häufige Fragen
Warum ist die Filmtemperatur wichtiger als die Ölaustrittstemperatur?
Organische Wärmeträger zersetzen sich thermisch ab einer stoffspezifischen Grenztemperatur. Maßgebend ist nicht die Kerntemperatur des Öls, sondern die Temperatur des laminaren Grenzfilms an der Rohrwand, die bei hoher Wärmestromdichte und niedriger Strömungsgeschwindigkeit mehrere zehn Kelvin darüber liegen kann. Cracken im Film erzeugt Koksbeläge, die den Wärmeübergang verschlechtern, die Wandtemperatur weiter anheben und den Schaden selbst verstärken.
Welchen Einfluss hat die Fahrweise (Gegenstrom/Gleichstrom) auf die Filmtemperatur?
Bei Gleichstromfahrweise trifft das kälteste Öl auf die Zone höchster Wärmestromdichte im Brennerbereich — die Filmtemperatur bleibt niedrig, die Austrittstemperatur wird aber in der Konvektionszone erreicht. Bei Gegenstrom durchströmt das heißeste Öl den Brennraumbereich, was thermodynamisch günstiger ist, aber die höchste Filmtemperatur erzeugt. Das Modul rechnet beide Fahrweisen sowie serielle und parallele Wendelschaltungen durch.
Warum wird zwischen mittlerer und maximaler Wärmestromdichte unterschieden?
Die Flammenstrahlung verteilt sich nicht gleichmäßig über die Brennraumwendel: In Flammennähe treten örtliche Spitzenwerte deutlich über dem Mittelwert auf. Da die Filmtemperatur von der örtlichen Wärmestromdichte abhängt, muss mit dem Maximalwert gerechnet werden — eine Auslegung nur über die mittlere Wärmestromdichte unterschätzt die Filmtemperatur systematisch.
Welche Rolle spielen Luftüberschuss und Luftfeuchte?
Ein höherer Luftüberschuss senkt die Flammentemperatur und damit die Strahlungsbelastung der Brennraumwendel, erhöht aber den Rauchgasmassenstrom und den Abgasverlust. Die Feuchtebeladung der Verbrennungsluft verändert Rauchgasmenge und Stoffwerte (Dichte, Viskosität, Strahlungsanteile von H₂O). Beide Größen gehen deshalb direkt in die Feuerraumbilanz und die Zonentemperaturen ein.