Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet Wendelrohr-Abhitzekessel: Wärmeübertrager, bei denen ein oder mehrere konzentrische Rohrkörbe aus schraubenförmig gewickelten Rohren von Rauchgas umströmt werden, während innen Warmwasser oder Thermalöl erwärmt wird. Die Berechnung stützt sich auf den VDI-Wärmeatlas sowie die Standardwerke von F. Brandt (Wärmeübertragung in Dampferzeugern und Wärmetauschern) und H. Hausen (Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom). Die Rauchgaszusammensetzung kann frei eingegeben oder aus Standardzusammensetzungen für Gas-, Heizöl- und Feststofffeuerungen gewählt werden.
Abhitzekessel berechnen muss man überall dort, wo Abwärme aus Verbrennungsprozessen genutzt wird: hinter Blockheizkraftwerken und Gasturbinen, an Industrieöfen, Thermalölanlagen und Prozessfeuerungen. Die Wendelrohrbauweise verbindet kompakte Bauform mit guter Wärmedehnungsaufnahme und definierter Gasführung durch die Ringspalte zwischen Mantel, Rohrkörben und Verdrängerkörper. Auf der Gasseite wirken Konvektion und — wegen der CO2- und H2O-Anteile des Rauchgases — Gasstrahlung zusammen, was die Berechnung von einer reinen Konvektionsauslegung unterscheidet.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI Wärmeatlas, F. Brandt, Wärmeübertragung in Dampferzeugern und Wärmetauschern, Vulkan Verlag 1995 H. Hausen, Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom, Springer 1976
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie des Wendelrohrkessels festlegen: Eingegeben werden Anzahl der Rohrkörbe, Rohrabmessungen und mittleres Längsteilungsverhältnis, die freien Spaltweiten zwischen den Körben, am Mantel und am Verdrängerkörper sowie Mantelinnendurchmesser und Durchmesser des Verdrängerkörpers. Daraus ergeben sich die gasseitigen Strömungsquerschnitte und die tatsächliche Übertragerfläche.
- Rauchgas und Aufwärmmedium definieren: Die Rauchgaszusammensetzung wird eingegeben oder als Standardzusammensetzung für Gas-, Heizöl- oder Feststoffverbrennung gewählt; daraus werden die temperaturabhängigen Stoffwerte des Gases bestimmt. Auf der Innenseite werden Warmwasser oder Thermalöl mit Massenstrom und Temperaturprogramm vorgegeben.
- Wärmeübergang innen und außen berechnen: Innen wird der Wärmeübergangskoeffizient der Rohrströmung in der Wendel berechnet (mit Erhöhung durch die Zentrifugalwirkung der Krümmung), außen der Wärmeübergang des quer angeströmten Wendelrohrbündels. Auf der Gasseite wird zur Konvektion der Strahlungsanteil des Rauchgases addiert, der von CO2- und H2O-Partialdruck, gleichwertiger Schichtdicke und dem Emissionsgrad der Wand abhängt.
- Wärmedurchgang und Flächenbedarf bestimmen: Aus den Übergangskoeffizienten, der Wärmeleitfähigkeit der Rohre und dem äußeren Verschmutzungswiderstand wird der Wärmedurchgangskoeffizient gebildet; mit der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz folgt die erforderliche Übertragerfläche A_soll.
- Leistungsreserve und Filmtemperatur bewerten: Die Leistungszahl LZ = A_ist/A_soll zeigt, ob der gewählte Kessel ausreicht. Bei Thermalöl wird zusätzlich aus der Temperaturerhöhung an der Wand die maximale Filmtemperatur bestimmt und gegen die zulässige Filmtemperatur des Öls geprüft, um Cracken und Verkokung auszuschließen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Korb 1 | 1.Wendel | m |
| Korb 2 | 2.Wendel | m |
| Korb 3 | 3.Wendel | m |
| Korb 4 | 4.Wendel | m |
| Korb 5 | 5.Wendel | m |
| Korb 1 | 1.Wendel | - |
| Korb 2 | 2.Wendel | - |
| Korb 3 | 3.Wendel | - |
| Korb 4 | 4.Wendel | - |
| Korb 5 | 5.Wendel | - |
| Korb 1 | 1.Wendel | - |
| Korb 2 | 2.Wendel | - |
| Korb 3 | 3.Wendel | - |
| Korb 4 | 4.Wendel | - |
| Korb 5 | 5.Wendel | - |
| _Stoffname Medium innen | innen | - |
| Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit | innen | W/(m·K) |
| Spezifische Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität | innen | J/(kg·K) |
| Mittlere Temperatur Mittlere Temperatur | T_i | °C |
| Eintrittsdruck (abs.) Eintrittsdruck (abs.) | innen | Pa |
| Massenstrom Massenstrom | innen | kg/s |
| Volumenstrom Mittl. Volumenstrom | Temp. | m³/h |
| Dichte Mittlere Dichte | innen | kg/m³ |
| Eintrittstemperatur Eintrittstemperatur | T_Ei | °C |
Häufige Fragen
Warum muss bei Rauchgas die Gasstrahlung berücksichtigt werden?
Die mehratomigen Rauchgasbestandteile CO2 und H2O emittieren und absorbieren Wärmestrahlung in ihren Banden, zweiatomige Gase wie N2 und O2 dagegen praktisch nicht. Bei Gastemperaturen oberhalb von etwa 400 bis 500 °C kann der Strahlungsanteil in den Gaszügen eine mit der Konvektion vergleichbare Größenordnung erreichen. Er hängt von den Partialdrücken, der gleichwertigen Schichtdicke des Gasraums und dem Emissionsgrad der Wand ab — deshalb ist die Eingabe der Rauchgaszusammensetzung für die Genauigkeit wesentlich.
Welche Bedeutung hat die maximale Filmtemperatur bei Thermalölerhitzern?
Organische Wärmeträgeröle beginnen oberhalb ihrer zulässigen Filmtemperatur zu cracken; die Zersetzungsprodukte verkoken die Rohrwand, verschlechtern den Wärmeübergang und können bis zum Rohrschaden führen. Maßgebend ist nicht die mittlere Öltemperatur, sondern die Temperatur der wandnahen Grenzschicht an der heißesten Stelle. Das Modul berechnet deshalb die Temperaturerhöhung an der Wand und weist die maximale Filmtemperatur aus — sie muss unter dem Grenzwert des Ölherstellers bleiben, notfalls durch höhere Strömungsgeschwindigkeit oder größere Fläche.
Wozu dient der Verdrängerkörper im Zentrum des Kessels?
Ohne Verdrängerkörper würde ein großer Teil des Rauchgases durch den strömungsgünstigen freien Kern strömen und die Rohrwendeln umgehen. Der Verdrängerkörper zwingt das Gas in die Ringspalte zwischen den Rohrkörben und stellt dort die für den Wärmeübergang nötigen Geschwindigkeiten her. Die freien Spaltweiten am Mantel, zwischen den Körben und am Verdrängerkörper bestimmen die Aufteilung des Gasstroms — zu große Spalte wirken als Bypass und verschlechtern die Leistung spürbar.
Was ist bei der Verschmutzung auf der Rauchgasseite zu beachten?
Je nach Brennstoff lagern sich Ruß, Asche und bei Unterschreitung des Säuretaupunkts auch korrosive Beläge ab. Der äußere Verschmutzungswiderstand geht direkt in den Wärmedurchgangskoeffizienten ein und sollte brennstoffabhängig gewählt werden — Erdgas deutlich günstiger als Heizöl S oder Feststofffeuerung. Zusätzlich ist die Abgasaustrittstemperatur so zu legen, dass der Wasser- bzw. Schwefelsäuretaupunkt an den kältesten Wänden nicht unbeabsichtigt unterschritten wird.