Wärmestrommessung an Membranwänden von Dampferzeugern

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.