Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul FLAM berechnet die Wärmeübertragung im Brennraum befeuerter Apparate – etwa von Erhitzern mit Innenwendel, Heißölerhitzern oder Flammrohrkesseln. Ausgehend von Brennstoffmenge bzw. Normvolumenstrom des Brennstoffs werden Flammenlänge, Flammendurchmesser sowie theoretische und tatsächliche Flammentemperatur bestimmt und daraus die Wärmestromdichten auf die gekühlten Heizflächen ermittelt.
Die Gesamtbelastung der Innenwendel setzt sich aus drei Anteilen zusammen: konvektiver Wärmeübergang, Gasstrahlung des Rauchgases (CO2- und H2O-Anteile) und Flammenstrahlung der leuchtenden Flamme. Für die Konvektionszone über der Flamme wird zusätzlich der Wärmeübergangskoeffizient berechnet. Die dafür benötigten Rauchgas-Stoffwerte – Dichte, spezifische Wärmekapazität, dynamische Viskosität und Wärmeleitfähigkeit – bezieht das Modul aus einem gekoppelten Rauchgas-Modul (RGas).
In der Praxis braucht man die Brennraumberechnung, um die maximale örtliche Wärmestromdichte zu begrenzen (Filmtemperatur des Wärmeträgers, Verkokungsgefahr bei Thermalöl), die Rauchgasaustrittstemperatur für die nachgeschalteten Konvektionsheizflächen festzulegen und die Heizflächenaufteilung eines Feuerungssystems auszulegen.
So läuft die Berechnung ab
- Brennstoff- und Rauchgasdaten festlegen: Brennstoffmenge bzw. Normvolumenstrom des Brennstoffs werden vorgegeben; über die Kopplung an das RGas-Modul (Nummer des RGas-Moduls) erhält FLAM Rauchgas-Massenstrom, Rauchgasmasse pro kg Brennstoff sowie die CO2- und H2O-Konzentrationen im Rauchgas.
- Flammengeometrie und -temperatur bestimmen: Aus der Feuerungsleistung werden Flammenlänge und Flammendurchmesser abgeschätzt. Die theoretische (adiabate) Flammentemperatur folgt aus der Verbrennungsrechnung; die tatsächliche Flammentemperatur liegt wegen der Wärmeabgabe an die gekühlten Wände darunter.
- Stoffwerte des Rauchgases auswerten: Bei der mittleren Rauchgastemperatur werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, dynamische Viskosität und Wärmeleitfähigkeit des Rauchgases bestimmt – die Grundlage für die konvektive Wärmeübergangsrechnung.
- Strahlungsanteile berechnen: Die Flammenstrahlung wird über das Emissionsverhältnis leuchtende Flamme–gekühlte Wand erfasst, die Gasstrahlung über die Emissionsgrade der CO2- und H2O-Anteile bei mittlerer Strahllänge des Brennraums. Beide liefern eigene Wärmestromdichten (qF und qGs).
- Konvektion und Summenbelastung bilden: Für die Konvektionszone über der Flamme wird der Wärmeübergangskoeffizient berechnet und daraus die konvektive Wärmestromdichte qkon. Die Wärmestromdichte auf die Innenwendel ergibt sich als Summe qkon + qGs + qF und dient als Auslegungswert für die Heizfläche.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Wahl des Brennstoffes | Brennstoffs | – |
| Unterer Heizwert | H_u | J/kg |
| Brennerleistung | Brennerleistung | W |
| Verbrennungslufttemperatur | Verbrennungslufttemperatur | °C |
| Feuchtebeladung der Verbrennungsluft | Verbrennungsluft | kg/kg |
| Luftzahl | Luftzahl | -- |
| Brennraumdurchmesser Wendel innen | Innenwendeln | m |
| Verhältnis Abgas-Rückführung | Abgas-Rückführung | -- |
| Temperatur Rauchgas-Rückführung | Rauchgas-Rückführung | °C |
| Wandtemperatur Innenwendel | Flammenbereich | °C |
| Emissionsgrad der Wand | Wand | -- |
| Abminderungsfaktor fA | f_A | -- |
| Weishaupt Brenner | J/N | – |
| Düsenfaktor fd für Flammendurchmesser | Flammendurchmesser | -- |
| Düsenfaktor fL für Flammenlänge | Flammenlänge | -- |
| Wandtemperatur Innenwendel in Konvektionszone über Flamme | Flamme | °C |
| Wendellänge der Innenwendel | Innenwendel | m |
| Feuerraum Endtemperatur | Endtemperatur | °C |
| Druck | Druck | Pa |
| Normdichte des Brennstoffs | Brennstoffs | kg/m³ |
| Nummer des RGas-Moduls | RGas-Moduls | – |
| Flammenlänge | Flammenlänge | m |
| Flammendurchmesser | Flammendurchmesser | m |
| Theoretische Flammentemperatur | Flammentemperatur | °C |
Häufige Fragen
Warum liegt die tatsächliche Flammentemperatur deutlich unter der theoretischen?
Die theoretische Flammentemperatur gilt für adiabate Verbrennung ohne Wärmeabgabe. Im realen Brennraum strahlt die Flamme bereits während der Verbrennung an die gekühlten Wände ab und mischt sich mit rezirkulierendem Rauchgas; zusätzlich dissoziieren CO2 und H2O bei hohen Temperaturen. Die tatsächliche Flammentemperatur ist deshalb der maßgebende Wert für die Strahlungsrechnung.
Wovon hängt das Emissionsverhältnis der leuchtenden Flamme ab?
Vom Brennstoff und der Verbrennungsführung: Öl- und Festbrennstoffflammen leuchten durch Rußpartikel stark (hohe Emissionsgrade), Erdgasflammen leuchten schwach und strahlen überwiegend über die Gasbanden von CO2 und H2O. Ein zu hoch angesetztes Emissionsverhältnis überschätzt die Wandbelastung im Flammenbereich, ein zu niedriges unterschätzt sie – der Wert sollte zum Brennertyp passen.
Warum ist die maximale Wärmestromdichte auf die Innenwendel ein kritischer Auslegungswert?
Bei Thermalöl- und Heißwassererhitzern begrenzt die zulässige Filmtemperatur des Wärmeträgers die örtliche Wärmestromdichte. Wird sie überschritten, crackt bzw. verkokt das Thermalöl an der Rohrinnenwand, die Ablagerung verschlechtert die Kühlung weiter und kann zum Rohrschaden führen. Die Brennraumberechnung liefert genau diesen Spitzenwert im Strahlungsteil.
Wozu wird die mittlere Rauchgastemperatur benötigt?
Sie ist die Bezugstemperatur für die Stoffwerte des Rauchgases und bestimmt zusammen mit dem Rauchgas-Massenstrom die Wärmebilanz des Brennraums. Die daraus folgende Brennraum-Austrittstemperatur ist zugleich die Eintrittstemperatur der nachgeschalteten Konvektionsheizflächen und damit Schnittstelle zur weiteren Kesselauslegung.