Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul VGAS führt die vollständige Verbrennungsrechnung für Brenngase durch. Aus der volumetrischen Zusammensetzung des Brenngases — bis zu 10 Komponenten wie Methan, Ethan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Stickstoff — stellt das Programm die Verbrennungsgleichungen selbstständig auf und ermittelt den minimalen Sauerstoffbedarf, den minimalen Luftbedarf sowie die minimale feuchte und trockene Rauchgasmenge für die stöchiometrische Verbrennung. Über die Luftzahl λ werden anschließend die tatsächlich eingesetzte Luftmenge und die tatsächliche Rauchgasmenge bestimmt.
Wer eine Verbrennungsrechnung für Erdgas oder andere Gasmischungen durchführen muss — etwa zur Auslegung von Brennern, Feuerräumen, Abhitzekesseln oder Rauchgaskanälen — erhält damit alle stofflichen Grundgrößen: Rauchgaszusammensetzung, Wasserbeladung des Rauchgases (kg Wasser je kg trockenes Rauchgas) und die Taupunkttemperatur des Rauchgases beim gegebenen Absolutdruck. Der Wasserdampftaupunkt ist entscheidend, um Kondensation und damit Korrosion in Rauchgaswegen, Kaminen und Abhitzekesseln zu vermeiden oder — bei Brennwertnutzung — gezielt herbeizuführen.
Das Modul deckt die vollständige Verbrennung mit Luftzahlen λ ≥ 1 ab. Unvollständige Verbrennungen mit λ
So läuft die Berechnung ab
- Brenngaszusammensetzung vorgeben: Die Volumenanteile der bis zu 10 Gaskomponenten werden eingegeben; das Programm prüft, dass die Summe der Anteile 100 % ergibt.
- Verbrennungsgleichungen aufstellen: Für jede brennbare Komponente wird die stöchiometrische Reaktionsgleichung mit Sauerstoff aufgestellt (z. B. CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O). Daraus folgt der minimale Sauerstoffbedarf O₂,min je Normkubikmeter Brenngas.
- Mindestluftbedarf und Mindestrauchgasmenge: Aus dem Sauerstoffbedarf und dem Volumenanteil Sauerstoff der Verbrennungsluft (bei trockener Luft 21 %) ergibt sich der minimale Luftbedarf L_min. Durch Bilanzierung der Reaktionsprodukte und des Luftstickstoffs folgen die minimale feuchte und die minimale trockene Rauchgasmenge.
- Tatsächliche Mengen über die Luftzahl: Mit der gewählten Luftzahl λ werden die eingesetzte Luftmenge und die tatsächliche (feuchte und trockene) Rauchgasmenge berechnet; der Luftüberschuss erscheint als zusätzlicher Luftanteil im Rauchgas.
- Wasserbeladung und Taupunkt: Aus dem Wasserdampfanteil des Rauchgases wird die Beladung in kg Wasser je kg trockenem Rauchgas bestimmt; über den Wasserdampfpartialdruck beim vorgegebenen Absolutdruck folgt die Taupunkttemperatur des Rauchgases.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Summe | VB | m³/h |
| Anzahl der Komponenten | Komponenten | – |
| Komponente 1 | 1 | – |
| Komponente 2 | 2 | – |
| Komponente 3 | 3 | – |
| Komponente 4 | 4 | – |
| Komponente 5 | 5 | – |
| Komponente 6 | 6 | – |
| Komponente 7 | 7 | – |
| Komponente 8 | 8 | – |
| Komponente 9 | 9 | – |
| Komponente 10 | 10 | – |
| Konzentration Komp. 1 | 1 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 2 | 2 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 3 | 3 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 4 | 4 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 5 | 5 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 6 | 6 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 7 | 7 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 8 | 8 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 9 | 9 | Vol-% |
| Konzentration Komp. 10 | 10 | Vol-% |
| _Normvolumen Komp. 1 | 1 | m³/h |
| _Normvolumen Komp. 2 | 2 | m³/h |
Gelöstes Beispiel
Für ein Erdgas mit 90 Vol.-% CH₄, 5 Vol.-% C₂H₆, 3 Vol.-% CO₂ und 2 Vol.-% N₂ sind der Mindestluftbedarf und die Rauchgasmengen bei einer Luftzahl λ = 1,2 zu bestimmen (trockene Verbrennungsluft mit 21 Vol.-% O₂, alle Mengen in m³ i.N. je m³ i.N. Brenngas).
Gegebene Werte
| Methan CH₄ | 90 Vol.-% |
| Ethan C₂H₆ | 5 Vol.-% |
| Kohlendioxid CO₂ | 3 Vol.-% |
| Stickstoff N₂ | 2 Vol.-% |
| Luftzahl λ | 1,2 |
| O₂-Gehalt der Luft | 21 Vol.-% |
Lösungsweg
Minimaler Sauerstoff- und Luftbedarf
Verbrennungsgleichungen: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O und C₂H₆ + 3,5 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O.
O2,min = 0,90 · 2 + 0,05 · 3,5 = 1,975 m³/m³
Lmin = O2,min / 0,21 = 1,975 / 0,21 = 9,405 m³/m³
Minimale Rauchgasmenge (stöchiometrisch)
CO₂ im Rauchgas: 0,90 · 1 + 0,05 · 2 + 0,03 = 1,030 m³/m³
H₂O im Rauchgas: 0,90 · 2 + 0,05 · 3 = 1,950 m³/m³
N₂ im Rauchgas: 0,02 + 0,79 · 9,405 = 7,450 m³/m³
VRG,min (feucht) = 1,030 + 1,950 + 7,450 = 10,430 m³/m³
VRG,min,tr (trocken) = 10,430 − 1,950 = 8,480 m³/m³
Tatsächliche Mengen bei λ = 1,2
Eingesetzte Luftmenge: L = λ · Lmin = 1,2 · 9,405 = 11,286 m³/m³
Luftüberschuss: (λ − 1) · Lmin = 0,2 · 9,405 = 1,881 m³/m³
Tatsächliche Rauchgasmenge (feucht): 10,430 + 1,881 = 12,31 m³/m³
Trockene Rauchgasmenge: 8,480 + 1,881 = 10,36 m³/m³
Ergebnis
| Minimaler Sauerstoffbedarf O₂,min | 1,975 m³/m³ |
| Minimaler Luftbedarf Lmin | 9,405 m³/m³ |
| Minimale Rauchgasmenge (feucht) | 10,43 m³/m³ |
| Eingesetzte Luftmenge (λ = 1,2) | 11,29 m³/m³ |
| Tatsächliche Rauchgasmenge (feucht) | 12,31 m³/m³ |
| Trockene Rauchgasmenge | 10,36 m³/m³ |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Warum ist die Taupunkttemperatur des Rauchgases so wichtig?
Unterschreitet die Wand- oder Rauchgastemperatur den Wasserdampftaupunkt, kondensiert Wasser im Rauchgasweg. Zusammen mit CO₂ und gegebenenfalls Schwefeloxiden entstehen korrosive Kondensate, die Kessel, Kanäle und Kamine angreifen. Bei Brennwertgeräten wird die Kondensation dagegen bewusst genutzt — dann müssen die Bauteile kondensatbeständig ausgeführt sein. Zu beachten ist: Bei schwefelhaltigen Brennstoffen liegt der Säuretaupunkt deutlich über dem hier berechneten Wasserdampftaupunkt.
Was bedeutet die Luftzahl λ und welche Werte sind praxisüblich?
Die Luftzahl λ ist das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zum stöchiometrischen Mindestluftbedarf. λ = 1 entspricht der exakt stöchiometrischen Verbrennung. In der Praxis wird mit Luftüberschuss gefahren, um vollständigen Ausbrand sicherzustellen: Gasbrenner arbeiten typisch mit λ ≈ 1,05 bis 1,2. Höhere Luftzahlen erhöhen den Abgasverlust, da mehr Rauchgasmasse aufgeheizt wird; sie senken zugleich den Taupunkt, weil der Wasserdampf verdünnt wird.
Kann das Modul auch unterstöchiometrische Verbrennung (λ < 1) berechnen?
Nein. Bei λ < 1 entstehen unvollständig oxidierte Produkte wie CO und H₂, deren Anteile sich nur über Gleichgewichts- oder Kinetikrechnungen bestimmen lassen. Das Modul deckt ausschließlich die vollständige Verbrennung mit λ ≥ 1 ab; Vergasungs- und Teilverbrennungsprozesse erfordern andere Berechnungsverfahren.
Worauf beziehen sich die berechneten Luft- und Rauchgasmengen?
Die Mengen werden als bezogene Volumina im Normzustand angegeben, also je Normkubikmeter Brenngas. Für die Umrechnung auf Betriebszustände (Betriebsdruck, Betriebstemperatur) — etwa zur Auslegung von Gebläsen und Kanalquerschnitten — muss das ideale Gasgesetz angewendet werden.