CheMin. Wärmeauskopplung in Strahlungszügen am Beispiel der Abfallverbrennung. -Messverfahren und Diagnose - Wärmeauskopplung in Strahlungszügen

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1 Wärmeauskopplung in Strahlungszügen am Beispiel der Abfallverbrennung -Messverfahren und Diagnose - Wolfgang Spiegel GmbH 1

2 : Gutachten und Beratung an Kraftwerksstandorten,

3 Struktur des Beitrags Was ist Wärme? Was ist Wärmestrom? Wie wird Wärme übertragen? Wie kann Wärme / Wärmestrom gemessen werden? Warum sollte der Wärmestrom gemessen werden? Was kann aus den Messergebnissen geschlossen werden? Anwendungsfälle (u.a. Strahlungsüberhitzer) 3

4 Was ist Wärme? Wärme ist eine Form der inneren Energie. Die Speicherfähigkeit von Wärme/Energie ist eine Eigenschaft von Materie. Maßeinheit der Wärme bzw. der Energie: Joule [J] Wärme kann nicht direkt gemessen werden. Aus der Temperatur eines Körpers (auch gasförmig) kann auf den Wärmeinhalt geschlossen werden. 4

5 Was ist Wärmestrom? Der Transfer von Wärme (Wärmeübertragung) kann nur von heiß nach kalt erfolgen. (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Wird Wärme von einem Körper auf den anderen übertragen, kann dies durch: Temperaturänderung (z.b. Abkühlung bei Wärmeabgabe) oder Phasenänderung (z.b. Verdampfung bei Wärmezufuhr) festgestellt werden. Die zeitliche Änderung der Wärme eines Körpers wird als Wärmeleistung oder in Analogie zu einem Fluss, der von einem höheren zu einem niedrigeren Niveau fließt, als Wärmestrom oder Wärmefluss bezeichnet. 5

6 Was ist Wärmestrom? Schnelles Fließen Langsames Fließen 6

7 Was ist Wärmestrom? Wärmestrom ist eine Prozessgröße. Maßeinheit des Wärmestroms bzw. der Leistung: Watt [W]=[J/s] Wärmestrom ist nicht direkt messbar. Der Wärmestrom von einem Körper zum anderen ist abhängig von der Temperatur der beiden Körper (Temperaturunterschied) (Fluss: Höhenunterschied) dem Widerstand, der sich der Wärmeübertragung entgegensetzt (Fluss: Breite, Tiefe, Wirbel, Strudel, Reibung am Flussbett). 7

8 Was ist Wärmestrom? Beispiel: Erwärmung des Wassers im See Der bestimmende Niveauunterschied ist die Temperaturdifferenz zwischen beiden Oberflächen. Die Aufheizung (= aufgenommene Wärme, = Wärmestrom) wird durch Widerstände gebremst, z.b. durch die Atmosphäre mit ihren jeweiligen Bedingungen und durch Reflexion der Strahlung an der Wasseroberfläche. 8

9 Wärmewiderstände Im Wirkungsbereich einer Wolke wird sich der See langsamer erwärmen. Gleiches gilt für Bereiche der Wasseroberfläche, die mit Pflanzen bedeckt sind. Gleiches gilt für ufernahe Bereiche, die durch Bäume beschattet werden. Dies ist zudem abhängig vom Sonnenstand (Tagesgang, Jahresgang). Analoges gilt für einen Kessel: Das Rauchgas ist die Sonne und die Seeoberfläche entspricht den Kesselrohren. Wolken, Pflanzen und andere Beschatter heißen im Kessel Schutzschichten (Feuerfest, Cladding etc.), Verschmutzung, Belag und Korrosionsschicht. Die Messung der Rauchgastemperatur entspricht der Messung der Wassertemperatur im See. Dies sagt aber nichts aus über die Verteilung der Wärmeaufnahme über die Seefläche bzw. über die Kesselrohre. 9

10 Wie wird Wärme übertragen? Es gibt 3 Formen der Wärmeübertragung: Strahlung Leitung Konvektion Wasser Wärmestrom Rauchgas die nachfolgend am Beispiel eines Strahlungszuges in einem Kessel erläutert werden. Wärme wird vom Rauchgas auf siedendes Wasser übertragen. 10

11 Wandaufbau eines Dampferzeugers Strahlung 846 C ohne alles rauchgasberührte Oberfläche Strahlungswärmeübergang (T 4 ) Strahlraum: 6m hoch, 6m breit, 4m tief Temperatur [ C] Rauchgasweg Rauchgas: m³/h; 10%H 2 O; 15%CO 2 Konvektion vernachlässigbar Abstand von Rohrmitte [mm] 950 C q " 34,010 kw / m² 250 C Mittlere Temperatur des Strahlers: 898 C 11

12 Wandaufbau eines Dampferzeugers Einfluss Rohrmaterial innen innen Rohr /s Rohr StrahlungStrahlung 847 C dünnes Rohr rauchgasberührte Oberfläche mit Rohr rauchgasberührte Oberfläche Strahlungswärmeübergang (T 4 ) zum Rohr 1000 Temperatur [ C] Rauchgasweg Wärmeleitung durch die Rohrwand innerer Wärmeübergang vom Rohr an das Wasser-/Dampfgemisch innen =5000 W/m²K 400 Rohrwanddicke s= 5mm; 300 Wärmeleitfähigkeit = 40 W/m K Abstand von Rohrmitte [mm] 950 C q " 33,935 33,887 kw / m² ˆ 99,78% 99, C 257 C 261 C Mittlere Temperatur des Strahlers: 898 C 12

13 Wandaufbau eines Dampferzeugers Einfluss Verschmutzung innen Rohr /s Rohr Belag /s Belag Strahlung 867 C Belag auf Rohr 1000 rauchgasberührte Oberfläche Rohr,außen Strahlungswärmeübergang (T 4 ) zum Rohrbelag Wärmeleitung durch den Belag auf dem Rohr Temperatur [ C] Rauchgasweg Belag: s= 10mm; = 1 W/m K Wärmeleitung durch die Rohrwand innerer Wärmeübergang vom Rohr an das Wasser-/Dampfgemisch Abstand von Rohrmitte [mm] 950 C q " 27,402 kw / m² ˆ 80,57% 250 C 259 C 533 C Mittlere Temperatur des Strahlers: 908 C 13

14 Wandaufbau eines Dampferzeugers Einfluss Feuerfest innen innen Rohr /s Rohr Rohr /s Rohr FF /s FF Strahlung Strahlung 847 C 850 C 862 C 1000 FF1 FF2 rauchgasberührte Oberfläche Rohr ohne Rohr, Belag außen rauchgasberührte Oberfläche Strahlungswärmeübergang (T 4 ) zum FF-Material Rohr Temperatur [ C] Rauchgasweg Wärmeleitung durch Feuerfestmaterial (hohe (geringe Wärmeleitfähigkeit) Wärmeleitung durch die Rohrwand innerer Wärmeübergang vom Rohr an das Wasser-/Dampfgemisch Feuerfest: s= 40 mm; = 520 W/m KK Abstand von Rohrmitte [mm] 950 C q " 33,887 32,953 28,907 kw / m² ˆ 96,89% 99,64% 84, C 261 C 259 C 327 C 491 C 898 C 900 C 906 C 14

15 Wandaufbau eines Dampferzeugers Einfluss Verschmutzung auf FF innen Rohr /s Rohr FF /s FF Strahlung innen Rohr /s Rohr FF /s FF Belag /s Belag Strahlung 873 C 862 C 1000 FF2 mit Belag rauchgasberührte Oberfläche Rohr, außen Strahlungswärmeübergang (T 4 ) zum FF-Material FF-Belag Wärmeleitung durch Belag auf Feuerfest Temperatur [ C] Rauchgasweg Wärmeleitung durch Feuerfestmaterial (geringe Wärmeleitfähigkeit) Wärmeleitung durch die Rohrwand innerer Wärmeübergang vom Rohr an das Wasser-/Dampfgemisch Abstand von Rohrmitte [mm] 950 C q " 25,213 28,907 kw /m² ˆ 84,99% 74,13% 250 C 259 C 258 C 491 C 460 C 586 C 900 C 15

16 Wärmewiderstände Wie hoch der Wärmeübergang vom Rauchgas in das Wasser-Dampfgemisch des Kessel ist, hängt ab von: Temperatur des Rauchgases Temperatur des Mediums Wärmeleitfähigkeit aller am Wandaufbau beteiligten Materialien - Kesselrohr λ = W/mK - metallische Schutzschichten λ = W/mK - keramische Schutzschichten λ = 3 25 W/mK - Beläge λ = 0,2 1,5 W/mK 16

17 Wandaufbau eines Dampferzeugers (dreidimensionale Betrachtung) Wie kommt die Wärme ins Rohr? 17

18 Wandaufbau eines Dampferzeugers (dreidimensionale Betrachtung) Temperaturverteilung Belag nur und Rohr Rohr Wie kommt die Wärme ins Rohr? Temperaturdifferenz ist äquivalent zum Auf dem Weg Fedes geringsten CuNi Widerstands! Fe Wärmestrom Analog zum Delta einer Flussmündung ergeben sich dadurch Verzweigungen und Vereinigungen. Die Messgenauigkeit liegt bei <0,1 K, unabhängig vom Temperaturniveau! 18

19 Rohr-Steg Temperaturdifferenzmessung an Verdampferwänden Rohr Steg Q CuNi Fe Fe CuNi Zwei 2-adrige Thermodrahtpaare werden an der Kesselhausseite der Membranwand auf dem Steg und dem Rohrscheitel fixiert. Zuvor werden diese Stellen von eventuellen Korrosionsrückständen und Schutzanstrich bzw. -lack o. Ä. befreit. U [mv] Zwischen konstant gekühltem Rohr und Steg wird die Differenzspannung entsprechend einer Temperaturdifferenz direkt gemessen. 19

20 FEM-Modell: Ungeschützte Membranwand, ohne Belag, 40kW/m2 RG-Temp C 20

21 Systemkennkurven (Systeme ohne Belag, spezifische Geometrien etc.) Systemkennkurven unverschmutzt 80 Wärmestromdichte [kw/m²] Schwarzes Rohr Cladding Hinterlüftete Platte Hintergossene Platte Temperaturdifferenz Rohr-Steg [K] 21

22 Warum sollte der Wärmestrom gemessen werden? Ermittlung von Schieflagen im Rauchgas / Wirbelbett Ermittlung lokaler Wärmeströme als Maß bei Optimierungen (Wandaufbau, Luftverteilung, Brennstoffverteilung, Durchmischung etc.) Ermittlung zeitlicher Verläufe (Verschmutzungszunahme, Abreinigungseffekte) Ermittlung lokaler thermischer (Über)Beanspruchung ( kritische Wärmestromdichte ) an ausgewählten Positionen Abschätzung der Dynamik korrosiver Prozesse Abschätzung der Dynamik verschmutzender Prozesse Abschätzung der Stoffeigenschaften von Verschmutzungen Mit dichtem Messstellennetz: Überwachung der Wärmeauskopplung pro Zug 22

23 Anwendung der Sensorik, Beispiel 1 Rohrschaden (Korrosion) durch erhöhte Wärmestromdichte Rohr-Steg-Sensoren an 9 unterschiedlichen Positionen auf der Kesselrohrwand [K] ,8 0, t [Tage] Abzehrung [mm / 1000h] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wärmestromdichte [kw/m²] Sonnenbrand am Rohr durch Schieflage im Rauchgas 23

24 Anwendung der Sensorik, Beispiel 2 Ermittlung von Schieflagen des Rauchgases im 1. Zug VW RSW +31 m LSW VW RSW +25 m LSW 24

25 Anwendung der Sensorik, Beispiel 2 Ermittlung von Schieflagen des Rauchgases im 1. Zug VW 35VBK10CT243 35VBK10CT244 35VBK10CT252 35VBK10CT253 K RSW +25 m LSW :00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21: LSW VW RSW 25

26 Anwendung der Sensorik, Beispiel 2 K 30 35VBK10CT243 35VBK10CT244 35VBK10CT252 35VBK10CT253 VW RSW +25 m LSW :00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21: LSW VW RSW 26

27 Anwendung der Sensorik, Beispiel 2 K 30 35VBK10CT243 35VBK10CT244 35VBK10CT252 35VBK10CT253 VW RSW +25 m LSW :00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21: LSW VW RSW 27

28 Anwendung der Sensorik, Beispiel 3 Graphische Auswertung von acht Ebenen mit Wärmestromsensoren im 1. Zug einer MVA Zustand nach erstem Wiederanfahren (also noch ohne Belag) 28

29 Anwendung der Sensorik, Beispiel 3 Graphische Auswertung von acht Ebenen mit Wärmestromsensoren im 1. Zug einer MVA Zustand nach ca Betriebsstunden (also mit Belag / Verschmutzung) 29

30 Sensorik zur Erfassung des Wärmestroms: alternative Methode Fe CuNi Fe Auch hier ist der Wärmestrom durch die Temperaturdifferenzen bei bekannter Wärmeleitfähigkeit der Platte ermittelbar: q " T 2 T 3 30

31 Anwendung der Sensorik, Beispiel 4 Kesseldecke Vorderwand erster Zug Einbau: Testfeld eines Strahlungsüberhitzers im Deckenbereich des ersten Strahlungszuges des MHKW Rosenheim. Schutz gegen Korrosion und Anbackungen durch ein hinterlüftetes Plattensystem. Strahlungsüberhitzer Der Strahlungsüberhitzer ist mit einer Vielzahl von Messstellen ausgestattet. 31

32 Anwendung der Sensorik, Beispiel 4 Vier Platten sind mit Bohrungen für jeweils zwei Thermoelemente ausgestattet. Da die Wärmeleitfähigkeit der Platten bekannt ist, kann somit der lokale Wärmestrom ermittelt werden. 32

33 Anwendung der Sensorik, Beispiel 4 Die Temperatur der decken- / vorderwandnahen Platten steigt im Verlauf der Reisezeit um ca. 150 bis 200 K. Die Temperatur der näher zum Feuerraum liegenden Platten bleibt über diesen Zeitraum nahezu konstant. Dies deutet auf eine zunehmende Verschmutzung und dadurch erhöhte Rauchgastemperaturen im deckennahen Bereich (Verschmutzung der Rohrwand nahe des Strahlungsüberhitzers) und einen erhöhten Anteil der Flammenstrahlung im unteren Bereich hin. 33

34 Anwendung der Sensorik, Beispiel 4 Verschmutzung nach 3600h nur wenige dünne Beläge verbleiben nach Abreinigung Verschmutzungsdetail (nach 3600h) Zum Vergleich: Verschmutzung der Verdampferwandplatten nach 3600h 34

35 Anwendung der Sensorik, Beispiel 4 Fazit Wegen der hohen Plattentemperaturen gibt es kaum Salze in den Ascheablagerungen (vergleichbar harmlos wie auf den Verdampferwandplatten). Wegen der geringen Salzanteile sind die Ascheablagerungen eher dünn und kaum versintert und damit leicht abreinigbar. Damit ist der zusätzliche Wärmewiderstand durch den Belag gering. Wegen der fehlenden Chlorsalzanteile in den Belägen gibt es keine nennenswerte Korrosionsneigung (die in Richtung des Druckteils transportiert werden könnte). Mittels der installierten Sensorik sind Wärmeströme sowohl lokal als auch integral erfass- und bewertbar. Die Sensorik dient damit auch der Überwachung des Bauteils. 35

36 Weitere Informationen unter 36

In: Thomé-Kozmiensky, K. J. und Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 9. Neuruppin: TK Verlag, 2012, S. 373-390

In: Thomé-Kozmiensky, K. J. und Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 9. Neuruppin: TK Verlag, 2012, S. 373-390 Magel, G.; Molitor, D.; Bratzdrum, C.; Koch, M.; Aleßio, H.-P. (2012): Wie kommt die Wärme ins Rohr? Korrosion ist oftmals ein Symptom hoher Wärmestromdichte. In: Thomé-Kozmiensky, K. J. und Beckmann,

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