Wärmestromdich­te-Versuchsanlage

Die Wärmestromdichte-Versuchsanlage (WSD-VA) bildet das Modell eines großtechnischen Dampferzeugers im Labormaßstab ab und dient somit hauptsächlich:

• der Validierung der Online-Wärmestrommessung durch Bilanzierung,
• Überprüfung von effektiven Wärmeleitfähigkeiten von Wandaufbauten,
• Untersuchung zum thermomechanischen Verhalten von Feuerfestprodukten,
• Untersuchung der Einflüsse von auf der Membranwand oder den Feuerfestprodukten befindlichen Belägen auf die Wärmeübertragung sowie
• Beurteilung von Strahlungseigenschaften verschiedener Belagszustände.

Kernstück der Versuchsanlage ist ein beheiztes, vom Arbeitsmedium Wasser durchströmtes Membranwandsegment, an dem über die Bestimmung der jeweiligen Temperaturdifferenzen zwischen Rohrscheitel und dem angrenzenden Rohrsteg die Ermittlung von Wärmestromdichten erfolgt. Zugleich wird die eingebrachte Leistung anhand eines kalorimetrischen Verfahrens (Wärmebilanz), d. h. aus der Temperaturdifferenz sowie aus dem Volumenstrom des Arbeitsmediums, berechnet und zur Validierung der über die Systemkennkurven zuvor ermittelten Wärmestromdichten herangezogen.

Membranwandaufbauten bestehen zumeist aus mehreren Schichten (Rohrwandplatte mit Hintergussmasse, Auftragsschweißschicht usw.) deren einzelne Wärmeleitfähigkeiten sich zwar einfach bestimmen lassen oder bekannt sind, jedoch in der Gesamtheit ist die effektive Leitfähigkeit des Wandaufbaus nicht ohne Weiteres messbar. Unsicherheiten bei mathematischen Modellierungen solcher Wandaufbauten können somit ebenfalls überprüft werden.

Aufgrund unterschiedlicher thermischer Expansionskoeffizienten der in einem zugestellten Wandaufbau verwendeten Materialien kommt es bei der Aufwärmung zu mechanischen Spannungen. Abhängig vom Aufbau der Zustellung können die auftretenden Spannungen zum Teil abgebaut werden, wenn ein gewisses Maß an Relativbewegung zwischen den einzelnen Komponenten möglich ist. Mit Hilfe des Versuchsstandes können Untersuchungen hinsichtlich des Verformungsverhaltens durchgeführt werden.


Versuchsbetrieb und Messmöglichkeiten

Anlagensteuerung
Die Versuchsanlage ist zur Gewährleistung einer möglichst großen Flexibilität nur in geringem Maße automatisiert. Dazu gehört die Sicherheitskette für den Brennerbetrieb, die Steuerung der elektrischen Heizpatronen (Vorheizsystem) sowie die Steuerung für den Trommelfüllstand (Heizkreislauf). Die Heizleistung des Brenners, die Brennkammertemperatur und die umlaufende Wassermenge bzw. die entstehende Dampfmenge kann per Hand eingestellt werden.

Untersuchungsmöglichkeiten, Messdatenerfassung und Auswertungen im Labor.
Untersucht werden können:

• thermische Eigenschaften unterschiedlicher Wandaufbauten (Zustellungen, Auftragsschweißschichten, Beläge usw.)
• Strahlungseigenschaften und Oberflächentemperaturen von Belägen mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Kamera
• verschiedene Gasatmosphären im Spalt von hinterlüfteten Platten
• thermisch induzierte, mechanische Spannungen sowie die
• Signalcharakteristik bei sich ändernder Belagssituation

Zur Messdatenerfassung stehen eine Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Kamera, Flügelradanemometer zur Volumenstrommessung, Drucksensoren sowie Thermoelemente für Absoluttemperaturen bzw. Temperaturdifferenzen zwischen Rohrsteg und Rohrscheitel zur Verfügung. Die Daten werden mit einem Datenlogger zusammengefasst und über eine Messwerterfassungsanlage gespeichert, angezeigt und wenn nötig berechnet. Zusätzliche Auswertungen in unserem physikalisch-chemischen Labor sind bei Bedarf ebenfalls möglich.


Technische Parameter
 

Wärmestromdichteversuchsanlage

1 Gasbrenner
2 Brennkammer
3 Strahlungskammer
4 Membranwandsegment mit Umlaufschleife
5 Quench
6 Trommel
7 Doppelrohr-Wärmeübertrager
8 Elektrische Heizpatrone
9 Seitenkanalgebläse
10 MSR-Technik
11 Messdatenerfassungsanlage
12 Schaltschrank
Sp Speisewasser (Eintritt Membranwandsegment)
D Dampf (Austritt Membranwandsegment)