Bauteil 89: Dampferzeuger, Hauptheizfläche

Vorgaben

Allgemeines       Vorgabewerte       Kennlinien       Verwendete Physik       Bauteilform       Beispiel

Allgemeines

Modul 89 erlaubt zusammen mit Bauteil 88 (Dampferzeuger, Rauchgaszone) bzw. 90 (Dampferzeuger, Reaktionszone) die geometriebehaftete Darstellung des Wärmeübergangs in einer Dampferzeugerheizfläche.  

Es  ist ein Mehrzweckmodul, das als Economizer, Verdampfer oder Überhitzer verwendet werden kann. Es stellt sowohl Bündelheizflächen wie auch Membranwände in Feuer- und Strahlräumen dar. Wassergekühlte Wände oder Tragrohre im Bereich von Bündelheizflächen werden über das Bauteil 91 (Dampferzeuger, Nebenheizfläche) abgebildet.

Modul 89 stellt nur die kalte Seite (Wasser/Dampf) einer Heizfläche dar. Eine Verwendung ohne ein die Sekundär(Rauchgas-)seite abbildendes Bauteil 88 oder 90 führt daher zu Fehlern. Außer Wasser/Dampf werden auch Thermoöl, Zweiphasenfluid und Universalfluid als Primärmedium unterstützt.

Erweiterungen für die Druckverlustberechnung der Rauchgasseite (für Bauteile 88 und 89):

Die Druckverlustberechnung der Rauchgasseite kann in Bauteil 89 als Kernelexpression, EDPO, angegeben werden. Da geometrische Details der Heizfläche in Bauteil 89 spezifiziert werden, kann in der Kernelexpression EDPO auf die entsprechenden Vorgabewerte (z .B. Rohrdurchmesser, Teilung, Details zu Rippen etc.) zugegriffen und eine eigene Druckverlustberechnung (z. B. nach Angaben des Herstellers) implementiert werden.

Der rauchgasseitige Druckverlust wird in Bauteil 89 gerechnet und nach Bauteil 88 übertragen. Im Bauteil 88 gibt es dazu einen Flag FDP, der zwischen der bisherigen Druckverlustberechnung nach Bernoulli-Gesetz und EDPO von Bauteil 89 umschaltet.

Erweiterungen für die Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten der Heizflächen (für Bauteil 89)

Die Berechnung der einzelnen Wärmeübergangskoeffizienten der Heizfläche (Alpha-Zahlen) kann in Bauteil 89 alternativ zur bisherigen Implementierung nach VDI-Formalismen mittels entsprechender Kernelexpression (z. B. nach Angaben des Herstellers) implementiert werden.

Dazu gibt es in Bauteil 89 folgende Paare der Vorgabewerte:

Für die Bündelheizflächen wird die mittlere Medium-Strömungsgeschwindigkeit im Rohr als Ergebniswert VELM ausgegeben.

MODELL

Das Berechnungsmodell basiert - ähnlich wie die anderen Wärmetauscher, auf den Grundgleichungen für Massenstrom, Druck und Enthalpie

mit den Indizes

Für die Berechnung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz LMTD werden die Rauchgaseintritts- bzw. -austrittstemperaturen des über die Logikleitung 3 angeschlossenen Bauteils 88 bzw. 90 verwendet. Daher ist  Bt. 89 auch nur genau dann funktionsfähig, wenn Anschluss 3 mit Bauteil 88 (PIN 3) oder Bauteil 90 (PIN 3) verbunden ist.

Das Bauteil geht bei Massenstrom und Druck davon aus, dass M1 oder M2 bzw. P1 oder P2 auf den anschließenden Leitungen gegeben sind. Der jeweils fehlende Wert wird errechnet.

Druckverlustbegrenzungen in Teillast (Extras --> Modelleinstellungen--> Berechnung--> Maximaler relativer Druckabfall):
Da der Druckverlust quadratisch mit dem Massenstrom ansteigt, können sich bei Überschreitung des Nennmassenstroms schnell deutlich zu hohe Druckverluste ergeben, die dann Phasenübergänge und Konvergenzprobleme verursachen. Aus diesem Grund wurden Druckverlustbegrenzungen eingebaut.

Pinchpoint-Verletzungen:
Bei Pinchpoint-Verletzungen wird wie bei anderen Wärmetauschern nun auch bei den Kesselbauteilen KA automatisch reduziert, um die Pinchpoint-Verletzung zu vermeiden und eine Warnung ausgegeben.

BERECHNUNGSGRUNDLAGEN

Der k*A - Wert wird im Bauteil 89 aus Geometriedaten der Heizfläche und Verfahrensdaten (Massenströme, Temperaturen, Drücke, Rauchgaszusammensetzung) nach allgemein zugänglichen Rechenvorschriften ermittelt. Darin unterscheidet sich Bauteil 89 wesentlich von den anderen Wärmetauschern, bei denen der k*A-Wert im Auslegungsmodus aus vorgegebenen Enthalpien oder Grädigkeiten (siehe Wärmetauscher, allgemeine Anmerkungen ) bestimmt wird. Im Einzelnen ist das Verhalten des Kesselwärmetauschers, wie folgt, vom Parameter FIDENT abhängig:

• FIDENT = 0: keine Identifikation: der k*A-Wert wird aus Geometrie- und Verfahrensdaten errechnet. H2 oder H1 sind auf den anschließenden Leitungen vorgegeben,
                      der fehlende Wert wird jeweils aus Gleichung (3) bestimmt.
• FIDENT = 1: T2-Vorgabe, Bewertungsfaktor berechnet: H1 und H2 sind auf anschließenden Leitungen vorgegeben, Glg. (3) wird zur Bestimmung von k*A ausgewertet.
                      Der Bewertungsfaktor (s. u., Bauteilidentifikation) wird so bestimmt, dass der k*A-Wert aus den Geometriedaten mit dem aus den Enthalpien bestimmten
                      übereinstimmt.
• FIDENT = 2: T2-Vorgabe, Foulingfaktor berechnet: H1 und H2 sind auf anschließenden Leitungen vorgegeben, Glg. (3) wird zur Bestimmung von k*A ausgewertet. 
                      Es wird ein Foulingfaktor (s. u., Bauteilidentifikation) bestimmt, so dass der k*A-Wert aus den Geometriedaten mit dem aus den Enthalpien
                      bestimmten übereinstimmt.
• FIDENT = 3: T2-Vorgabe, validierbar, Bewertungsfaktor berechnet
  
• FIDENT = 4: T2-Vorgabe, validierbar, Fouling berechnet
  
• FIDENT = 5: T2 und Bewertungsfaktor gegeben, Heizflächengröße berechnet
  

Für den Identifikationsmodus gibt es neue Varianten FIDENT=3 / FIDENT=4 “T2 validierbar gegeben“, sowohl zur Berechnung der Verschmutzung als auch zur Berechnung der Bewertungzahl. 
Für die Validierung wurde eine von außen vorgegebene Temperatur als konstante Größe behandelt. In den neuen Modi wird eine Gleichung erzeugt, in die diese Temperatur integriert wird, so dass eine statistische Validierung stattfinden kann. 

Die Einstellung des Berechungsmodus auf DESIGN oder TEILLAST spielt bei Bt. 89 damit hinsichtlich der Berechnung des Wärmeübergangs keine Rolle.

Der K-Wert ergibt sich aus innerem Wärmeübergang ALI, dem äußerem Wärmeübergang durch Strahlung ALR und durch Konvektion ALC sowie aus Wärmeleitung LAMBDA, Bewertungsfaktor EFF und Foulingfakor KFOUL gemäß

• (4) ALO = ALR + ALC
• (5) EFF/K = 1/ALO + 1/ALI*AA/AI + S/LAMBDA*AA/AM + KFOUL

AA, AI, AM sind die spez. Flächen des Wärmetauscherrohres, bezogen auf Außen-, Innenfläche bzw. Mittelfaser, S ist die Wandstärke.

LAMBDA ist material- und temperaturabhängig hinterlegt, die Wärmeübergangsbeiwerte errechnen sich nach VDI-Wärmeatlas (7. Auflage, 1994), wobei im Bauteil noch zwischen Bündelheizflächen, Strahlräumen und Feuerräumen unterschieden wird:

• innerer Wärmeübergangskoeffizient:
  • nach Gnielinski (VDI-Gb) für einphasige Strömung,
  • Blasensieden in senkrechten Rohren (VDI-Hbb) für Verdampfungsvorgänge
    
    Über den Schalter FPHASE kann die Berechnungsvorschrift für den inneren Wärmeübergang vorgewählt oder alternativ eine automatische Auswahl entsprechend der Enthalpien an Ein- und Austritt vorgewählt werden. Bei FPHASE = AUTOMATISCH wird Blasensieden angenommen, wenn (H1+H2)/2 im Nassdampfbereich liegt.

• äußerer Wärmeübergang durch Konvektion:
  • Querströmung durch Rohrbündel nach VDI-Gf für Glattrohre,
  • Wärmeübergang an berippten Oberflächen nach VDI-Mb für Rippenrohre.
    
    Der konvektive Wärmeübergang wird für Strahlräume auf 0 gesetzt.
    
• äußerer Wärmeübergang durch Strahlung:
  • Gasstrahlung und Schichtdicken nach VDI-Kc,
    
    Strahlungsanteile von Koks, Asche, Ruß nach VDI-Ke. Partikelstrahlung von Koks wird nur im Feuerraum berücksichtigt.

Neben dem Strahlungswärmeübergang innerhalb einer Rauchgaszone kann Bt. 89 den Strahlungswärmeaustausch zwischen einer Heizfläche und dem Rauchgasvolumen ihres rauchgasseitigen Vorgängers bzw. Nachfolgers berücksichtigen. Dazu muss PIN 5 mit dem entsprechenden Ausgang (PIN 7) des Bt. 88 oder 90, das den Rauchgasteil des Nachfolgers darstellt und ggf. PIN 4 mit PIN 6 des Vorgängers verbunden sein. Die Berechnung des Strahlungsaustausches erfolgt mit folgenden Annahmen:

• strahlende Fläche: Austrittsquerschnitt der strahlenden Rauchgaszone
• Strahlungstemperatur:
  • für Strahlraum oder Bündel der Mittelwert von rauchgasseitiger Ein- und Austrittstemperatur,
  • für den Feuerraum einstellbar mit Modellparameter ALPHA_T zwischen adiabater Temperatur (ALPHA_T = 1.0) und Rauchgasaustrittstemperatur (ALPHA_T=0.0).
• Einstrahlzahlen:
  • für Strahlräume und Feuerräume gemäß VDI-Kb,  
  • für Glattrohrbündel da/tl*n/(n+1) mit da Außendurchmesser, tl Breitenteilung, n Anzahl der Rohrlagen,
  • für Rippenrohrbündel 1.
    

BAUTEILIDENTIFIKATION

Als Bauteilidentifikation ist die Berechnung von EFF oder KFOUL z. B. aus Gleichungen (3) und (5) verstanden, wobei dann eine der rauchgasseitigen Temperaturen und wasser-/dampfseitige Ein- und Austrittstemperatur bekannt sein müssen. Das Bauteil lässt zur Zeit nur die Bestimmung des Bewertungsfaktors EFF bei fest vorgegebenem Fouling KFOUL zu. Der berechnete Bewertungsfaktor wird als Ergebnis REFF dargestellt.

In Dampferzeugern sind gelegentlich Heizflächen, die eine verfahrenstechnische Einheit bilden (z. B. ZÜ1 oder Verdampfer), in mehrere bauliche Gruppen aufgeteilt, die in unterschiedlichen Rauchgaszonen angeordnet sind. Zwischen den einzelnen baulichen Gruppen ist dann zumeist keine Temperatur-/ Enthalpieinformation aus Messungen verfügbar, sodass eine Identifikation jeder Einzelkomponente z. B. über Glgn. (3) und (5) nicht möglich ist. Ein gemeinsamer Bewertungsfaktor für alle zusammengehörenden Heizflächen einer verfahrenstechnischen Einheit kann aber aus den Temperaturen am Eintritt und Austritt ermittelt werden.

Dazu kann in Bt. 89 ein Gruppenindex (IGROUP) für die Identifikation vergeben werden.  Alle Heizflächen die mit einem gemeinsamen Bewertungsfaktor identifiziert werden sollen, müssen mit dem gleichen Gruppenindex 1<=IGROUP<=10 versehen werden, d. h. es können bis zu 10 Gruppen gebildet werden. Eine der Heizflächen in der Gruppe wird dann in den Identifikationsmodus (FIDENT = T2 gegeben, Bewertungsfaktor berechnet), alle anderen auf FIDENT = keine Identifikation gesetzt. Alle Heizflächen der so definierten Gruppe tragen dann im Ergebnis den gleichen Bewertungsfaktor.

Soll die Schaltung im Simulationsmodus ohne Identifikation der Gruppe betrieben werden, so ist für die eine Heizfläche im Identifikationsmodus FIDENT = "keine Identifikation" und für ALLE Heizflächen der Gruppe IGROUP = 0 zu setzen.

NEBENHEIZFLÄCHEN

Neben den eigentlichen Hauptheizflächen finden sich in einer Rauchgaszone häufig kleinere Heizflächen in Form wasser- oder dampfdurchströmter Teile der Konstruktion (Tragrohre, gekühlte Wände) die in der Wasser-/Dampfschaltung an anderer Stelle als die Hauptheizfläche angeordnet sind, die aber rauchgasseitig gemeinsame Eintritts- und Austrittsbedingungen mit der Hauptheizfläche haben. Diese Nebenheizflächen werden durch Bauteil 91 abgebildet.

Der Wärmeübergang in einer Rauchgaszone wird durch die Geometrie der Hauptheizfläche bestimmt. Daher wird der von Bt. 89 errechnete Wärmeübergangskoeffizient an Bt. 91 übertragen, sofern es angeschlossen ist. Um dies zu unterstützen kann eine eventuell vorhandene Nebenheizfläche (mit ihrem PIN 4) über die Logikleitungen PIN 6 oder 7 in Bt. 89 mit der Hauptheizfläche verbunden werden. Es können daher max. zwei Nebenheizflächen in jeder Rauchgaszone eingesetzt werden.

Die Verwendung einer Nebenheizfläche in einer Rauchgaszone zusätzlich zu einer Hauptheizfläche ist in der Regel nur sinnvoll, wenn die Hauptheizfläche über FHEAT=Bündel als Bündelheizfläche konfiguriert ist. Im Falle von FHEAT=Strahl-, Feuerraum stellt bereits die Hauptheizfläche in der Regel die Membranwand dar.

Hinweis zum Ergebniswert REFF

Bei Bauteil 89 erfolgt eine explizite Berechnung des möglichen Wärmeaustauschs bei vorgegebener Geometrie. REFF stellt hier das Verhältnis zwischen dem realen (verschmutzten)
und dem idealen (sauberen) Wärmetauscher dar. REFF ist hier also ein Maß für den Zustand (Gütegrad) des Wärmetauschers.

Weitere Ergebniswerte und Plausibilitätsprüfungen

Der Druckabfall wird als Ergebniswert DP angezeigt, unabhängig davon, ob er im Bauteil berechnet wurde oder ob Eintritts- und Austrittsdruck von außen gegeben wurden.

Hinweis:

Die im Bauteil verwendeten Formeln sind nur für Reynolds-Zahlen <10^6 geeignet. Die Reynolds-Zahl wird auf 2*10^6 begrenzt und eine Warnung ausgegeben.

Weitere Ergebniswerte sind:

• Reynolds- (Ergebniswert RE),
• Nusselt- (Ergebniswert NU) und
• Prandt-Zahl (Ergebniswert PR) für die Dampfseite (im Rohr)

außerdem

• die Wärmestromdichte (Ergebniswert HFLUX)

Um den Wärmeübergang durch Strahlung auf der Rauchgasseite besser nachvollziehen zu können, werden neben der bestehenden

• Gesamtemissivität EMISS und
• Gesamtabsorbtion ABS

folgende zusätzliche Ergebniswerte werden berechnet und angezeigt:

• Emissivitätanteil Gas (Ergebniswert EMISSG)
• Emissivitätanteil Koks (Ergebniswert EMISSC)
• Emissivitätanteil Ruß (Ergebniswert EMISSS)
• Emissivitätanteil Asche (Ergebniswert EMISSA)
• Absorbtionsanteil Gas (Ergebniswert ABSG)

Mindestgrädigkeit

Mindestgrädigkeit Der Mindestwert für die Grädigkeit wurde von 3 auf 1 K verringert.

KENNLINIE UND ANPASSUNGSPOLYNOME 

Das Teillastverhalten des Bauteils 89 ergibt sich aus den hinterlegten Modellgleichungen. Zur Anpassung an das tatsächliche Anlagenverhalten sind Kennlinien und Anpassungspolynome vorgesehen. Über die Schalter FCHR und FADAPT kann man zwischen Kennlinie und Adaptionspolynom auswählen.

Für die Emissivität und das Absorbtionsverhältnis besteht die Möglichkeit, eigene Berechnungsalgorithmen mittels Kernelexpressions zu implementieren. Die bisherige Implementierung ist als Default hinterlegt.

Die Liste der verfügbaren Rohr- und Rippenmaterialien wurde um 58 neue Materialtypen erweitert, die einem von Mannesmann veröffentlichen Forschungsbericht entnommen wurden.

Neue Ergebniswerte

Um die Ermittlung der Kennlinie zu erleichtern, wurden bei diesem Bauteil die Ergebniswerte M1M1N und EFFEFFN ergänzt, die das Verhältnis vom aktuellen Massenstrom bzw. von der aktuellen Effektivität zum entsprechenden Nominalwert ausweisen.

Vorgabewerte

Die blau markierten Identifikationswerte sind Referenzwerte für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich auf die in den Gleichungen verwendeten Werte.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Der folgenden Tabelle ist zu entnehmen, ob T2, Bewertungsfaktor oder Wärmeaustauschfläche einzugeben ist: 

Kennlinien

1. Kennlinie, CEFF     FAC/FAC0 = f (M1/M1N)

(EFF/EFFN = f(M1/M1N) (FCHR=0) oder KFOUL/KFOULN=f(M1/M1N) (FCHR=1) 

Verwendete Physik

Gleichungen

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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