Wärmetransportphänomene - Lehrstuhl für Thermodynamik - TUM

Technische Universität München
Prof. Dr.-Ing. T. Sattelmayer - Prof. W. Polifke Ph.D.
5.2 Die Platte als Blockkapazität: Heizkesselwand
Betrachtet wird eine Heizkesselwand aus Stahl mit
der Wandstärke DSt = 10 mm, die auf der feuerungsseitigen
Fläche mit einer dünnen Keramikschicht (DK =
3 mm, λK = 1,2 W/(m K)) beschichtet ist, um diese
vor den Einflüssen des korrosiven Verbrennungsgases
zu schützen. Die andere Seite ist gegenüber der Umgebung
ideal isoliert. Die Wand habe vor Feuerungsbeginn
die Temperatur TSt(t = 0) = T0 = 27 ◦ C.
Bei Beginn der Feuerung strömt das heiße Gas mit der
Temperatur TG = 1027 ◦ C entlang der Wand und gibt
Wärme über den konstanten Wärmeübergangskoeffizienten
αi = 100 W/(m 2 K) an die Kesselwand ab.
Lehrstuhl für
THERMODYNAMIK
Die folgenden Aufgaben sind allgemein und zahlenmäßig zu bearbeiten:
1. Bestimmen Sie die Wärmedurchgangszahl U vom Gas durch die Keramikschicht an die
Innenfläche der Kesselwand!
2. Berechnen Sie, unter Annahme einer vernachlässigbar geringen Wärmekapazität der Keramikschicht,
die Zeit, die benötigt wird, um die Kesselwand auf TSt = 927 ◦ C aufzuheizen.
3. Wie hoch ist die Temperatur TK,i der feuerungsseitigen Keramikfläche zu diesem Zeitpunkt?
Zu Testzwecken wird die Heizkesselwand mit der Anfangstemperatur T0 für eine Zeitdauer von
tT = 10 Minuten mit heißem Gas der Temperatur TT = 1550 ◦ C beaufschlagt. Innerhalb dieser
Zeitspanne darf die Temperatur des Stahls die Temperatur Tmax = 1200 ◦ C nicht übersteigen.
Der Wärmeübergangskoeffizient bleibe unverändert.
4. Überprüfen Sie, ob die Dicke der Keramikschicht für diese Anforderung ausreichend ist,
indem Sie die minimale Schichtdicke, die die Anforderung gerade noch erfüllt, berechnen.
5. Skizzieren Sie qualitativ den Temperaturverlauf.
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