Luftvorwärmer-Wirkungsgrad-Rechner
Berechnen Sie den APH-Wirkungsgrad auf der Gas- oder Luftseite anhand der Rauchgas- und Lufttemperaturen.
Der APH-Wirkungsgrad sieht auf dem Bildschirm wie ein einzelner Prozentwert aus; im Feld liest man ihn so nicht. Wenn Gaseintrittstemperatur, Gasaustrittstemperatur, Lufteintrittstemperatur und Luftaustrittstemperatur nicht aus demselben Betriebszeitpunkt stammen, ist der resultierende Wert nur eine sauber formatierte Schätzung. Besonders wenn es bei einem rotary air preheater leakage gibt, kann die Gasaustrittstemperatur auf den ersten Blick täuschen. Eine niedrige Rauchgastemperatur im DCS zu sehen fühlt sich gut an, aber wenn die seal-Seite leckt, bleibt dieser Vorteil nur auf dem Papier.
Aus welcher Temperaturdifferenz kommt der Wirkungsgrad in Prozent?
Ein Air preheater ist ein Wärmeübertrager, der heißes Rauchgas und kalte Verbrennungsluft einander annähert. Die Gasseite kühlt ab, die Luftseite erwärmt sich. Die Aufgabe des Rechners besteht darin, diese Temperaturänderung aus zwei unterschiedlichen Richtungen zu lesen: als gasseitigen Wirkungsgrad oder als luftseitigen Wirkungsgrad.
Der gemeinsame Punkt beider Methoden ist die Temperaturdifferenz zwischen den Eintrittswerten:
$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$
Wenn das Gas mit 340 °C und die Luft mit 30 °C in den APH eintritt, beträgt die verfügbare Temperaturdifferenz 310 K. Hier liefert die Differenz in Kelvin und Celsius denselben Betrag; was 340 - 30 ist, ist auch 613,15 - 303,15. Der Rechner zeigt diese Differenz im Ergebnis ebenfalls an, weil sie die Grundlage ist, auf der der Wirkungsgrad in Prozent beruht.
Für den gasseitigen Wirkungsgrad wird die Berechnung so aufgebaut:
$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$
Der luftseitige Wirkungsgrad betrachtet dagegen die von der Luft gewonnene Temperatur:
$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$
Trotz desselben Nenners müssen die beiden Ergebnisse nicht gleich sein. In den meisten realen Daten sind sie sogar nicht gleich. Gas- und Luftmassenströme sind nicht gleich, die spezifischen Wärmen sind unterschiedlich, leakage wird in dieser Berechnung nicht gemessen, und die Temperaturverteilung im Kanal ist auch nicht immer gleichmäßig. Deshalb ist es richtiger, den gasseitigen und den luftseitigen Wirkungsgrad als zwei getrennte Ablesungen zu betrachten.
Wenn in einer technischen Notiz „Wirkungsgrad 80%“ steht, sollte neben dieser Zeile auch die Methode ergänzt werden. Gasseite oder Luftseite? Derselbe Prozentwert kann mit einer anderen Methode eine völlig andere Bedeutung haben.
Gasseitige Berechnung: Wie stark hat sich das Rauchgas abgekühlt?
Die gasseitige Methode misst, wie viel Temperatur das durch den APH strömende Rauchgas verliert. Wenn der Gaseintritt 340 °C, der Gasaustritt 150 °C und der Lufteintritt 30 °C beträgt, arbeitet die Formel so:
$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$
Das Ergebnis beträgt 61,29%.
Diese Berechnung liefert für die Gasseite eine sehr praktische erste Ablesung. Wenn der APH verschmutzt ist, die Basket-Flächen zugesetzt sind, die sootblower-Wirkung nachgelassen hat oder auf der cold-end-Seite eine Verstopfung beginnt, bleibt die Gasaustrittstemperatur hoch. Das Gas kühlt nicht ausreichend ab. Der Zähler in der Formel wird kleiner, der Wirkungsgrad sinkt.
Allerdings sollte man die Gasaustrittstemperatur nicht zu romantisch betrachten. Wenn bei einem rotary APH Luft von der Luftseite auf die Gasseite übertritt, erscheint der gemessene Gasaustritt kalt. Das kann so wahrgenommen werden, als hätte die reale Wärmeübertragung zugenommen. Der niedrige Wert auf dem DCS-Bildschirm macht sich im Bericht gut; wenn danach die leakage-Messung auf den Tisch kommt, bleibt in denselben Wert nicht mehr so viel Vertrauen.
Dieser Rechner nimmt keine leakage-Korrektur vor. Er erzeugt auch keine no-leakage-Gasaustrittstemperatur. Wenn eine rohe Gasaustrittstemperatur vorliegt, wird auch der gasseitige Wirkungsgrad mit den rohen Temperaturdaten berechnet. Genau so sollte es geschrieben werden. Sonst wirkt der Prozentwert zu selbstbewusst.
Der gasseitige Wirkungsgrad ist besonders nützlich, wenn dieselbe Einheit über die Zeit verfolgt wird. Gestern, letzte Woche, vor der Wartung, nach der Wartung. Damit der Vergleich sinnvoll ist, sollte der Lastpunkt jedoch ähnlich sein. Wenn sich der Brennstoff geändert hat, die Überschussluft anders liegt oder die Lüfterklappe an einer anderen Position geblieben ist, ist es nicht leicht, zwei Wirkungsgrade nebeneinanderzustellen und ein Urteil zu fällen. In Excel liegen zwei Zeilen auf gleicher Höhe; im Betrieb tun sie das nicht.
Ein weiteres Beispiel soll realistischer wirken: Gaseintritt 346,7 °C, Gasaustritt 158,4 °C, Lufteintritt 32,1 °C. Der gasseitige Wirkungsgrad beträgt ungefähr 59,85%. Die Ordnung runder Beispiele gibt es hier nicht. Im Feld gibt es sie meistens ohnehin nicht.
Luftseitige Berechnung: Wie weit wurde die Verbrennungsluft erwärmt?
Die luftseitige Methode betrachtet, wie stark der APH die Verbrennungsluft anhebt. Wenn mit Gaseintritt 340 °C, Lufteintritt 30 °C und Luftaustritt 280 °C gerechnet wird:
$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$
Das Ergebnis beträgt 80,65%.
Im selben Temperatursatz ergaben sich gasseitig 61,29% und luftseitig 80,65%. Das allein ist kein Fehlerzeichen. Der Temperaturabfall auf der Gasseite beträgt 190 °C, der Temperaturanstieg auf der Luftseite 250 °C. Da Massenstrom und \(C_p\) nicht in die Berechnung eingehen, wäre es falsch, diese beiden Prozentwerte wie eine Energiebilanz zu lesen.
Der luftseitige Wirkungsgrad spricht direkter für jemanden, der sich für die Temperatur der zum Brenner gehenden Luft interessiert. Wenn die Luftaustrittstemperatur niedrig ist, kann das auf der Verbrennungsseite in Bezug auf Brennstoff, Flammenstabilität oder Kesselwirkungsgrad ein zu verfolgender Zustand sein. Aber auch hier kommt die Sensorposition ins Spiel. In großen Luftkanälen ist die Mischung nicht immer homogen. Eine an einem einzelnen Punkt gemessene Temperatur repräsentiert möglicherweise nicht den gesamten Kanal.
Die Lufteintrittstemperatur wird von der Jahreszeit beeinflusst. Luft, die im Winter mit 5 °C eintritt, und Luft, die im Sommer mit 35 °C eintritt, können im selben APH unterschiedliche Prozentwerte ergeben. Deshalb sollte man bei Vergleichen zwischen Monaten fragen: „Hat sich der Lufteintritt geändert, aber ist der Wirkungsgrad gleich geblieben?“ Manche Berichte überspringen diese Unterscheidung. Danach versteht man nicht, warum sich die Werte bewegt haben.
In der luftseitigen Berechnung kommt die Gasaustrittstemperatur in der Formel nicht vor. Trotzdem wird sie aus dem Augenwinkel verfolgt. Wenn der Luftaustritt gut aussieht, während der Gasaustritt ebenfalls ungewöhnlich niedrig ist, verschwindet der leakage-Verdacht nicht vom Tisch. Nur weil sich die Luft gut erwärmt hat, ist die Geschichte auf der Gasseite nicht abgeschlossen.
Wo entstehen bei den Eingaben am häufigsten Fehler?
Im Rechner gibt es vier Temperaturfelder: Gaseintritt, Gasaustritt, Lufteintritt, Luftaustritt. Dazu kommt die Methodenauswahl. Wenn die Gasseite ausgewählt ist, werden Gaseintritt, Gasaustritt und Lufteintritt verwendet. Wenn die Luftseite ausgewählt ist, rücken Gaseintritt, Lufteintritt und Luftaustritt in den Vordergrund. Die Temperaturdifferenz kommt in jedem Fall aus der Differenz zwischen Gaseintritt und Lufteintritt.
Die Einheit kann °C, °F oder K sein. Wenn die Umrechnung korrekt ist, ändert sich der Prozentwert nicht. Der Fehler liegt häufiger im Wert selbst: zum Beispiel 340 K statt 340 °C einzugeben. 340 K sind ungefähr 66,85 °C. Der Rechner kann die Absicht des Benutzers daraus nicht erkennen; er nimmt die Zahl, führt die Berechnung aus und gibt das Ergebnis zurück. Danach erscheint im Bericht ein seltsamer Prozentwert.
Der Messzeitpunkt bereitet genauso viel Ärger wie die Einheit. Wenn der Gaseintritt der 10:00-Mittelwert ist, der Luftaustritt ein Momentanwert um 10:30 und der Gasaustritt während einer Lastabsenkung aufgenommen wurde, sieht die Berechnung zwar ordentlich aus, aber die Daten erzählen nicht dieselbe Geschichte. Bei stabiler Last wirkt ein Mittelwert über 15-30 Minuten für die meisten praktischen Kontrollen besser. Kürzere Intervalle können manchmal ausreichen, besonders bei einer schnellen Schichtkontrolle. Für einen Performance-Bericht braucht es etwas mehr Geduld.
Auch die Sensoranordnung sollte notiert werden. Wenn das Temperaturprofil am APH-Eintritt nicht gleichmäßig ist, reicht eine einzelne Sonde möglicherweise nicht aus. Wenn am Gasaustritt stratification vorliegt, repräsentiert ein aus einer Ecke entnommener Wert nicht den gesamten Querschnitt. Am Luftaustritt gibt es ein ähnliches Problem; eine Seite des Kanals kann wärmer, die andere kälter bleiben. Die Formel weiß das nicht.
Manchmal ist das, was wir einen Rechenfehler nennen, eigentlich ein Fehler der Messanordnung.
Dieser Prozentwert ist keine Energiebilanz
Das muss man ohne lange Umwege klar sagen: Dieser Rechner verwendet keinen Massenstrom und keine spezifische Wärme. Er leitet nur aus Temperaturdifferenzen einen gasseitigen oder luftseitigen Wirkungsgrad ab. Kein X-ratio. Keine leakage-Korrektur. Keine no-leakage-Temperatur.
Das bedeutet nicht, dass die Berechnung nutzlos ist; ihr Umfang ist eben so.
Wenn die Wärmeleistung berechnet werden soll, sind Massenstrom und \(C_p\) erforderlich. Auf der Luftseite lässt sich ein grober Wärmegewinn so bestimmen:
$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$
Auf der Gasseite wird eine ähnliche Ablesung gemacht:
$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$
Diese beiden Berechnungen sind nicht dasselbe wie Temperaturwirkungsgrad. Der luftseitige Wirkungsgrad kann 80% ergeben, der gasseitige Wirkungsgrad 61%; ohne die Massenströme zu kennen, springt man daraus nicht zu dem Schluss „Energie ist verloren gegangen“ oder „die Berechnung ist falsch“. Bevor Luftmassenstrom, Gasmassenstrom, spezifische Wärmen und leakage-Information in die Tabelle eingehen, wird keine Energiebilanz aufgestellt.
In einem Kohlekessel verhält sich die Annahme für das Gas-\(C_p\) anders, bei Erdgas anders und bei Biomasse wieder anders. Überschussluftverhältnis, Feuchte, Brennstoffzusammensetzung, Last; all das beeinflusst die Gasseite. Was dieser Rechner tut, ist enger gefasst: Er liefert mit der Temperaturdifferenz einen schnellen APH-Wirkungsgrad in Prozent.
Das Ergebnis im Feld lesen
Ein niedriger Wirkungsgrad lässt zunächst an Verschmutzung denken. Basket-Flächen können zugesetzt sein, die sootblower-Routine ist schwach, es ist Zeit für eine APH-Wäsche, oder auf der cold-end-Seite hat eine Verstopfung begonnen. Das sind reale Möglichkeiten. Trotzdem wäre es voreilig, bei einem sinkenden Wirkungsgrad direkt einen Wartungsauftrag zu eröffnen.
Wenn die Gaseintrittstemperatur niedrig ausfiel, ändert sich der Nenner. Wenn der Luftmassenstrom gestiegen ist, sinkt der Luftaustritt. Wenn leakage zugenommen hat, kann der Gasaustritt merkwürdig gut aussehen. Wenn der pressure drop gestiegen ist, wird der Verschmutzungsverdacht stärker. Derselbe Prozentwert kann auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden; genau hier liegt die unruhige Seite der APH-Berechnung.
Auch ein hoher Wirkungsgrad ist allein kein Erfolgszertifikat. Der Luftaustrittssensor kann zu hoch lesen. Die Gaseintrittssonde kann in einem heißen Bereich liegen. Die Mittelungszeit kann zu kurz gewählt sein. Ein Wert, der im DCS glänzend aussieht, ist im Feld manchmal das Produkt einer schwachen Messanordnung.
Wenn mit einem Auslegungs- oder Abnahmewert verglichen werden soll, kann zusätzlich eine Abweichungsberechnung verwendet werden:
$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$
Wenn der aktuelle gasseitige Wirkungsgrad 61,29% und die Auslegungsreferenz 65% beträgt, ergibt sich eine Abweichung von ungefähr -5,71%. Diese Zeile kann in den Bericht aufgenommen werden. Wenn Last, Brennstoff, Überschussluft und Messintervall nicht danebenstehen, ist sie nicht besonders überzeugend.
Ich würde in einen Bericht statt einer langen Erklärung ein paar harte Daten setzen: Methode, vier Temperaturen, Last, pressure drop und, falls vorhanden, eine leakage-Notiz. Sechs Zeilen sind oft nützlicher als zwei Absätze. Besonders in einer Wartungsbesprechung liest niemand lange ausgeschmückte Sätze; man schaut darauf, woher der Wert kommt.
Kurzer Hinweis zur Verwendung des Tools
Beginnen Sie mit der Methodenauswahl. Wenn der gasseitige Wirkungsgrad gewünscht ist, konzentrieren Sie sich auf Gaseintritt, Gasaustritt und Lufteintrittstemperatur. Beim luftseitigen Wirkungsgrad tragen Gaseintritt, Lufteintritt und Luftaustrittstemperatur die Berechnung. Die vierte Temperatur bleibt trotzdem auf dem Bildschirm; sie ist für die Interpretation nützlich.
340 °C Gaseintritt, 150 °C Gasaustritt und 30 °C Lufteintritt ergeben auf der Gasseite 61,29%. Wenn bei denselben Gaseintritts- und Lufteintrittswerten der Luftaustritt mit 280 °C eingegeben wird, ergibt die Luftseite 80,65%. Diese beiden Testberechnungen reichen aus, um die Temperaturdifferenz-Logik des Tools zu prüfen.
Wenn Daten in einer anderen Einheit eingegeben werden, prüfen Sie zuerst die Einheitenauswahl. Wenn °F und °C verwechselt werden, weicht das Ergebnis stark ab. Auch bei Kelvin muss sichergestellt werden, dass die absoluten Werte korrekt eingegeben werden; Daten einfach einzutragen, ohne umzurechnen, nur weil „K technischer aussieht“, ist keine gute Idee.
Die letzte Zeile lässt man ehrlicher so stehen: Lesen Sie den resultierenden Prozentwert nicht allein, sondern zusammen mit Trends am selben Lastpunkt. Wenn Gasaustrittstemperatur, Luftaustrittstemperatur und pressure drop in dieselbe Richtung weisen, ist die Berechnung nützlich. Wenn einer davon woanders hingeht, prüfen Sie zuerst die Messseite.