Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul K5 berechnet die Wärmestrahlung in Brennräumen nach dem VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019. Im Feuerraum eines Dampferzeugers oder Prozessofens wird der weitaus größte Teil der Wärme durch Strahlung der heißen Flamme und der Verbrennungsgase an die umschließenden Wände (Membranwände, Kühlflächen, Ausmauerung) übertragen. Die Berechnung liefert den Strahlungswärmestrom auf die Brennraumwände und damit die Grundlage für Feuerraum-Austrittstemperatur und Heizflächenauslegung.
Gebraucht wird diese Rechnung bei der Auslegung und Nachrechnung von Kesselfeuerungen, Prozessöfen und Brennkammern: Die Feuerraumendtemperatur entscheidet über Verschlackungsneigung, NOx-Bildung und die Aufteilung der Wärmeaufnahme zwischen Strahlungs- und Konvektionsheizflächen. Da die strahlende Flamme aus Verbrennungsgasen (H2O, CO2) und Partikeln wie Ruß und Kohlenasche besteht, baut das Modul auf den Verfahren zur Gas- und Gas-Feststoff-Strahlung auf.
Weil die exakte Lösung des Strahlungsproblems in einem Brennraum mit örtlich veränderlichen Temperaturen nicht geschlossen möglich ist, arbeitet der VDI-Wärmeatlas mit bewährten Brennraummodellen (z. B. wohldurchmischter Brennraum), zwischen denen im Modul gewählt werden kann. Neben der Strahlung wird auch der konvektive Beitrag an die Wand berücksichtigt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Berechnungsmodell wählen: Zunächst wird das Brennraummodell festgelegt, etwa das Modell des wohldurchmischten Brennraums, bei dem der Feuerraum mit einer repräsentativen Gastemperatur beschrieben wird. Die Modellwahl bestimmt, wie die örtliche Temperaturverteilung in eine wirksame Strahlungstemperatur überführt wird.
- Feuerungsdaten und Bilanz aufstellen: Aus Brennstoff, Luftverhältnis und Feuerungsleistung ergeben sich Rauchgasmassenstrom, Rauchgaszusammensetzung und die adiabate Verbrennungstemperatur als Ausgangspunkt der Energiebilanz des Brennraums.
- Strahlungseigenschaften der Flamme bestimmen: Der Emissionsgrad des Feuerraummediums wird aus der Gasstrahlung von Wasserdampf und Kohlendioxid und – je nach Brennstoff – dem Beitrag von Ruß-, Koks- und Aschepartikeln ermittelt; maßgebend sind Partialdrücke, Partikelbeladung und die gleichwertige Schichtdicke des Feuerraums.
- Wandseite charakterisieren: Für die Brennraumwände werden wirksame Wandtemperatur und Emissionsgrad angesetzt; Verschmutzung und Verschlackung lassen sich über einen Wirkungsgrad bzw. Verschmutzungsfaktor der Heizfläche berücksichtigen, der die effektive Wärmeaufnahme mindert.
- Wärmestrom und Feuerraumendtemperatur iterieren: Strahlungsaustausch zwischen Feuerraummedium und Wand, konvektiver Beitrag und die Energiebilanz des Rauchgases werden gekoppelt gelöst: Die Wärmeabgabe senkt die Gastemperatur, die wiederum die Strahlung bestimmt. Ergebnis sind der an die Wände übertragene Wärmestrom und die Feuerraum-Austrittstemperatur.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Brennraumvolumen | V | m³ |
| Wandoberfläche | A | m² |
| Schichtdicke sgl | K3 (9) | m |
| Temperatur im Feuerraum | Tg,n-1 | K |
| Wandtemperatur | Tw | K |
| Wichtungskonstante b_0(1) | b0i | – |
| Wichtungskonstante b_0(2) | b0i | – |
| Wichtungskonstante b_0(3) | b0i | – |
| Wichtungskonstante b_1(1) | b1i 1/K | 1/K |
| Wichtungskonstante b_1(2) | b1i 1/K | 1/K |
| Wichtungskonstante b_1(3) | b1i 1/K | 1/K |
| Gl. (2) | ai(Tg,n-1) - | – |
| Gl. (2) | ai(Tg,n-1) - | – |
| Gl. (2) | ai(Tg,n-1) - | – |
| Gl. (5) | ai(Tw) - | – |
| Gl. (5) | ai(Tw) - | – |
| Gl. (5) | ai(Tw) - | – |
| Patialdruck | pH2O | bar |
| Patialdruck | pCO2 | bar |
| Gasdruck pH2O + pCO2 | pg | bar |
| Absorptionskoeffizient k_g(1) | kgi 1/m∙bar | 1/(m·bar) |
| Absorptionskoeffizient k_g(2) | kgi 1/m∙bar | 1/(m·bar) |
| Absorptionskoeffizient k_g(3) | kgi 1/m∙bar | 1/(m·bar) |
| Emissionsgrad | εg | – |
Berechnungsoptionen
Berechnungsmodell
Formulierung durch eine gewichtete Summe von Exponentialfunktionen · Die Strahlung aller Teilchen wird als grau angesehen.
Häufige Fragen
Warum wird der Brennraum als 'wohldurchmischt' modelliert, obwohl die Flamme lokal viel heißer ist?
Die reale Temperatur- und Konzentrationsverteilung in einem Feuerraum ist nur mit CFD-Strahlungsmodellen auflösbar. Für die Auslegung genügt meist ein nulldimensionales Modell, das den Feuerraum durch eine wirksame Strahlungstemperatur zwischen adiabater Verbrennungstemperatur und Austrittstemperatur beschreibt. Die Modelle des VDI-Wärmeatlas sind an Messungen ausgeführter Feuerungen abgeglichen und liefern für die Heizflächenauslegung belastbare Mittelwerte.
Welche Rolle spielt der Brennstoff für den Flammenemissionsgrad?
Erdgasflammen strahlen überwiegend über die Gasbanden von H2O und CO2 und haben vergleichsweise niedrige Emissionsgrade; Öl- und vor allem Kohlenstaubflammen enthalten zusätzlich Ruß-, Koks- und Aschepartikel, die kontinuierlich strahlen und den Emissionsgrad deutlich anheben. Deshalb muss die Partikelphase brennstoffabhängig mitgerechnet werden – gleiche Feuerungsleistung bedeutet nicht gleiche Strahlungswärmeaufnahme.
Wie wirken sich Verschmutzung und Verschlackung der Wände aus?
Beläge erhöhen den Wärmewiderstand der Wand und heben deren Oberflächentemperatur an; dadurch sinkt die Nettowärmeaufnahme und die Feuerraumendtemperatur steigt. In der Rechnung wird das über Verschmutzungs- bzw. Wirksamkeitsfaktoren der Heizfläche erfasst. Eine zu optimistische Annahme führt zu überhöhten Austrittstemperaturen im Betrieb und kann nachgeschaltete Heizflächen thermisch überlasten.
Wofür ist die Feuerraum-Austrittstemperatur das entscheidende Ergebnis?
Sie bestimmt erstens die Aufteilung der Wärmeaufnahme zwischen Verdampfer-Strahlungsheizflächen und den konvektiven Nachschaltheizflächen und zweitens, ob die Asche am Feuerraumende bereits unter ihren Erweichungspunkt abgekühlt ist. Liegt die Austrittstemperatur zu hoch, drohen Verschlackung der ersten Konvektionsbündel und erhöhte Materialtemperaturen.