Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul RGAS berechnet die Stoffwerte von Rauchgasen aus der Verbrennung fester Brennstoffe, von Heizölen oder Erdgasen. Nach den Methoden der statistischen Verbrennungsrechnung wird zunächst die Rauchgaszusammensetzung aus dem unteren Heizwert Hu und dem gemessenen CO2-Gehalt bestimmt; darauf aufbauend liefert das Modul die thermophysikalischen Eigenschaften des Rauchgases — Dichte, Gaskonstante, Molmasse, spezifische Wärmekapazität, Enthalpie, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Temperaturleitfähigkeit und Prandtl-Zahl. Fachliche Grundlage sind die Standardwerke von Brandt (Wärmeübertragung in Dampferzeugern und Wärmetauschern; Brennstoffe und Verbrennungsrechnung) sowie Günter (Verbrennung und Feuerung).
Rauchgas-Stoffwerte berechnen zu können, ist der Schlüssel zur wärmetechnischen Auslegung und Nachrechnung von Dampferzeugern, Abhitzekesseln, Economisern, Luftvorwärmern und Rauchgas-Wärmeübertragern: Wärmeübergangskoeffizienten und Druckverluste auf der Rauchgasseite hängen direkt von cp, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Prandtl-Zahl bei der jeweiligen Rauchgastemperatur ab.
Der Zugang über Hu und gemessenen CO2-Gehalt ist praxisgerecht: Beide Größen liegen im Kraftwerks- und Kesselbetrieb ohnehin vor, sodass sich die Rauchgaszusammensetzung auch ohne vollständige Brennstoffanalyse rekonstruieren lässt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Brandt: Wärmeübertragung in Dampferzeugern und Wärmetauschern; Brandt: Brennstoffe und Verbrennungsrechnung; Günter: Verbrennung und Feuerung
So läuft die Berechnung ab
- Brennstoffart und Kenndaten vorgeben: Gewählt wird, ob das Rauchgas aus festem Brennstoff, Heizöl oder Erdgas stammt; als Kenngrößen dienen der untere Heizwert Hu und der gemessene CO2-Gehalt des Rauchgases.
- Rauchgaszusammensetzung rekonstruieren: Mit den statistischen Zusammenhängen der Verbrennungsrechnung nach Brandt wird aus Hu und CO2-Gehalt auf Luftverhältnis und Zusammensetzung geschlossen: Anteile von CO2, H2O, N2 und O2 im feuchten Rauchgas.
- Mischungsgrößen bilden: Aus der Zusammensetzung folgen Molmasse, Gaskonstante und Normdichte des Rauchgases als Stoffmengenmittel der Komponenten.
- Temperaturabhängige Stoffwerte: Für die gewünschte Rauchgastemperatur werden spezifische Wärmekapazität, Enthalpie, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität aus den Komponentenstoffwerten gemischt; daraus ergeben sich Temperaturleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient und Prandtl-Zahl für die Wärmeübergangsrechnung.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Unterer Heizwert des Brennstoffes | Hu | J/kg |
| CO2-Volumenanteil des trockenen Rauchgases | yCO2T | -- |
| O2-Volumenanteil des trockenen Rauchgases | yO2T | -- |
| Luftzahl | n | - |
| Relative Luftfeuchte | (0 ≤ φ ≤ 1) φ | -- |
| Gesamtdruck | p | Pa |
| Sättigungsdampfdruck | ps | Pa |
| Absolute Feuchte der Luft kg H2O/kg Luft | xH2OL | kg/kg |
| Rauchgasmasse kg RG/kg Brennstoff | μG | kg/kg |
| Temperatur des Rauchgases | ϑ | °C |
| Wahre spezifische Wärmekapazität | cpG | J/(kg·K) |
| Spezifische Enthalpie | h | J/kg |
| Norm-Dichte (0°C, 1.01325 bar) | ρN | kg/m³ |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Spezifische Gaskonstante | R | J/(kg·K) |
| Molmasse des Rauchgases | M | kg/kmol |
| Dichte (Real) | ρ | kg/m³ |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Temperaturleitfähigkeit | a | m²/s |
| Spezifisches Volumen | v | m³/kg |
| Anteil feucht | CO2 y(CO2) | Vol-% |
| Anteil feucht | H2O y(H2O) | Vol-% |
Berechnungsoptionen
Rauchgas aus
Kohle · Heizöle · Erdgas · Bekannte Zusammensetzung
Häufige Fragen
Warum genügen Hu und CO2-Gehalt zur Bestimmung der Rauchgaszusammensetzung?
Für die üblichen Brennstoffgruppen bestehen enge statistische Korrelationen zwischen Heizwert, Mindestluftbedarf und Mindestrauchgasmenge. Der gemessene CO2-Gehalt legt zusätzlich das Luftverhältnis fest, da Überschussluft das Rauchgas verdünnt und den CO2-Gehalt gegenüber dem Maximalwert CO2,max des Brennstoffs absenkt. Damit ist die Zusammensetzung des Rauchgases praktisch bestimmt — ohne vollständige Elementaranalyse.
Für welche Brennstoffe ist der statistische Ansatz geeignet — und wo nicht?
Geeignet ist er für Regelbrennstoffe, deren Zusammensetzung den hinterlegten Statistiken entspricht: Stein- und Braunkohlen, Heizöl EL und S, Erdgase. Bei Sonder- und Ersatzbrennstoffen, Biomassen mit stark schwankendem Wasser- und Aschegehalt oder wasserstoffreichen Prozessgasen können die Korrelationen deutlich abweichen; dort sollte die Zusammensetzung direkt aus der Brennstoffanalyse berechnet werden, etwa mit einem Gasgemisch-Stoffwertmodul.
Wird der Wasserdampfanteil im Rauchgas berücksichtigt?
Ja, die Stoffwerte gelten für das feuchte Rauchgas einschließlich des Wasserdampfs aus Brennstoffwasserstoff, Brennstofffeuchte und Luftfeuchte. Das ist wichtig, weil der Wasserdampfanteil cp und Wärmeleitfähigkeit merklich anhebt. Unterhalb des Taupunkts (Teilkondensation) gelten die einphasigen Gasstoffwerte allerdings nicht mehr.
Weshalb muss der CO2-Gehalt zur richtigen Bezugsbasis passen?
Abgasanalysen messen üblicherweise am getrockneten Gas. Wird ein am trockenen Gas gemessener CO2-Wert als feuchter Wert interpretiert (oder umgekehrt), ergibt sich ein falsches Luftverhältnis und damit eine falsche Zusammensetzung. Vor der Eingabe ist daher zu klären, auf welche Basis sich der Messwert bezieht.