Wärmeverteilung in Kesseln und Reaktoren

Der Gesamtwirkungsgrad eines Kessels folgt aus einer einfachen Energiebilanz und stimmt meist gut mit der Messung überein. Was die Lebensdauer des Kessels bestimmt, ist jedoch nicht die Summe, sondern die örtliche Wärmestromdichte.

Warum die örtliche Verteilung zählt

• Überhitzung. Überschreitet eine Rohrwand örtlich die Auslegungstemperatur, beginnt Kriechschädigung; die Gesamtbilanz zeigt das nicht.
• Verschmutzung und Verschlackung. Asche haftet in einem bestimmten Temperaturbereich an den Flächen. Wo sie sich ansammelt, bestimmt die örtliche Temperaturverteilung.
• Korrosion. In reduzierenden Zonen beschleunigt die wandnahe Gaszusammensetzung die Korrosion, und auch das ist örtlich.
• Wärmespannungen. Spannungen entstehen zwischen Bereichen, die sich unterschiedlich ausdehnen. Siehe die Notiz zur Übergabe an die Strukturanalyse.

Die Wärmestrahlung ist der beherrschende Mechanismus

Bei Kesseltemperaturen wird der größte Teil der zur Wand gelangenden Wärme durch Strahlung übertragen, und die Verbrennungsprodukte sind ein strahlungsaktives Medium. Die Genauigkeit der Verteilung der Wandwärmestromdichte hängt unmittelbar von der Genauigkeit des Strahlungsmodells und der Gaseigenschaften ab [1]. Siehe die Notiz zur Wärmestrahlung.

Bei festen Brennstoffen muss auch die Partikelstrahlung berücksichtigt werden; Ruß- und Aschepartikel verändern die Strahlungsbilanz deutlich.

Eine zusätzliche Dimension in Reaktoren

In chemischen Reaktoren ist die Temperaturverteilung nicht nur eine Frage der Festigkeit, sondern der Selektivität: An Heißstellen beschleunigen unerwünschte Nebenreaktionen und die Produktqualität sinkt. In Systemen mit Durchgehpotenzial ist die örtliche Spitzentemperatur unmittelbar ein Sicherheitskriterium.

In Festbetten wird die Strömungsverteilung durch den Wandeffekt verzerrt — nahe der Wand ist die Porosität höher und die Strömung weicht dorthin aus. Das wirkt sich auf Umsatz und Wärmeübergang zugleich aus und sollte im Modell poröser Medien erfasst werden.

Referenzen

1. Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
2. Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.