Autor: Sascha Krüger

Die Wärmestromdichte ist der auf eine Fläche bezogene Wärmestrom. Die Ermittlung dieser Größe stellt für Strahlungswärmeübergangsflächen von Dampferzeugern, die üblicherweise aus Membranwänden aufgebaut sind, eine wichtige Information mit Bezug auf die Wärmeverteilung, d. h. die lokale Wärmeabgabe in der Brennkammer, dar. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, anhand der Wärmestromdichte • die Feuerlage auf dem Rost oder in der Brennkammer, • Schieflagen der Gasströmung in den Strahlungszügen, • den lokalen Belegungszustand (Verschmutzungszustand) oder • den Zustand des Wandaufbaus (Ablösen von Feuerfestmaterial) zu bewerten. Gerade die Beläge bzw. deren Vermeidung und Abreinigung sind von großem Interesse, da die Beläge als Hauptursache für die Verminderung der Anlageneffizienz und der Verfügbarkeit anzusehen sind. In der vorliegenden Arbeit wird eine nicht-invasive Methode zur Bestimmung der Wärmestromdichte an Membranwänden mit und ohne Zustellung sowie deren Anwendung im technikums- und großtechnischen Maßstab beschrieben. Die Entwicklung und Anwendung von Wärmestromdichtemessungen an Membranwänden war bereits Gegenstand vielfacher Forschung in den letzten Jahren. Zumeist wurden Messzellen entwickelt, zu deren Installation Umbauten am Siederohr, d. h. am Druck tragenden Teil des Wasser-Dampf-Kreislaufes notwendig sind. Bei der Auslegung der Messzelle muss grundsätzlich darauf geachtet werden, dass das zu messende Temperaturprofil durch die Messzelle selbst nicht verändert wird. Um den beiden o. g. Umständen zu genügen, gab es Ansätze, anhand der Temperaturverteilung in der Membranwand selbst die lokal eintretende Wärmestromdichte zu bestimmen. Diese Methoden, bei denen durch die Messung von Temperaturgradienten in Materialien mit bekannter Leitfähigkeit und fest vorgegebenen geometrischen Verhältnissen die Bestimmung der Wärmestromdichte erfolgt, werden als konduktive Messverfahren bezeichnet. Die bestehenden konduktiven Verfahren benötigen in vielen Fällen u. a. die feuerraumseitigen Scheiteltemperaturen der Siederohre. Die Bestimmung dieser Temperaturen ist nicht ohne größeren technischen Aufwand möglich. Zum einen müssen die Temperaturmessungen in den Feuerraum eingebracht werden, wo i. d. R. eine korrosive Atmosphäre herrscht. Zum anderen müssen die Temperaturmessungen im Siederohr so eingebracht werden, dass keine Verfälschung der Messung z. B. durch Abstrahlungseffekte auftritt. Hierzu werden diese Temperaturmessungen zumeist per Bohrungen ins Siederohr eingepasst. Bohrungen in den Siederohren sind grundsätzlich als kritischer Eingriff bezüglich der mechanischen Festigkeit des Rohres anzusehen und sind nicht ohne größeren technischen Aufwand möglich. Aus dem Aufbau der Membranwand - bestehend aus den Siederohren, die mit den Stegen verschweißt werden - kann prinzipiell aus der Differenztemperatur zweier charakteristischer Positionen (feuerraumabgewandte Stegmitte und Rohrscheitel) die Wärmestromdichte auf den Steg bestimmt werden. Hierbei verhält sich der Steg der Membranwand wie eine einseitig beheizte Rippe, die an beiden Enden von den Siederohren auf konstantem Temperaturniveau gehalten wird. Abhängig von dem Aufbau der Wand ergibt sich eine definierte Verteilung der Wärme im Stegund Scheitelbereich. Prinzipiell kann das in der vorliegenden Arbeit beschriebene Verfahren bei allen Membranwänden angewendet werden, unter der Voraussetzung, dass die geometrischen Gegebenheiten und die Wärmeleitfähigkeiten der im Wandaufbau verwendeten Materialien bekannt sind. Anhand von mathematischen Modellen erfolgt die Bestimmung des Temperaturprofils bzw. die Verteilung der eingetretenen Wärme im Wandaufbau. Somit ist es für einen entsprechenden Wandaufbau möglich, anhand der mathematischen Modellierung die gesamte in den Wandaufbau eintretende Wärmestromdichte - aus der Wärmestromdichte auf den Steg der Membranwand - zu berechnen. Aus den Modellierungen ergeben sich des Weiteren Informationen zur Anforderung an die Messtechnik. Für die Erfassung von geringen Temperaturdifferenzen - bis unter 1K - bei mittleren Grundmaterialtemperaturen von bis zu 300 °C ist die Verwendung von Thermoelementen u. U. mit Messfehlern behaftet, die größer als das zu messende Signal sind. Im Rahmen der Arbeit wird eine Möglichkeit zur Bestimmung von Temperaturdifferenzen an einer Membranwand unter direkter Nutzung des thermoelektrischen Effektes beschrieben. Weiter wird auf das dynamische Verhalten der Messtechnik anhand von theoretischen Betrachtungen und Ergebnissen aus dem Praxisbetrieb eingegangen. Die Validierung des im Rahmen der Arbeit beschriebenen konduktiven Verfahrens zur Messung der Wärmestromdichte erfolgt anhand eines kalorimetrischen Verfahrens. Grundlage für das kalorimetrische Verfahren zur Bestimmung der Wärmestromdichte ist die Bestimmung der in ein Arbeitsmedium eingebrachten Energie. Auf die hierzu aufgebaute Versuchsanlage, die ein Modell eines Dampferzeugers im Technikumsmaßstab darstellt, sowie auf die hiermit erzielten Ergebnisse wird im Verlauf der Arbeit eingegangen. Die Versuchsanlage ist so ausgelegt, dass nicht zugestellte Membranwände und Membranwände mit Feuerfestprodukten eingesetzt werden können. Des Weiteren bietet die Versuchsanlage die Möglichkeit der Untersuchung von Einflussgrößen, wie z. B. den Wärmeübergang vom Siederohr zum Siedewasser. Darüber hinaus wird auf theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Thermomechanik von Feuerfestprodukten eingegangen. Über die mit der Versuchsanlage erzielten Ergebnisse hinaus wird der Praxiseinsatz der Wärmestrommesstechnik an einem biomassegefeuerten Dampferzeuger dargestellt. Auf die hier gewonnenen Ergebnisse wird besonders im Hinblick auf die Wirkung der Belagsbildung und der Online-Reinigung eingegangen. Des Weiteren erfolgen Auswertungen zur Verteilung der lokalen Wärmeabgabe in der Brennkammer und dem sich daran anschließenden Strahlungszug.