Wärmeverlust gedämmter und ungedämmter Rohre berechnen

Wie wird der Wärmeverlust eines Rohrs berechnet?

Ein Rohr mit heißem Fluid gibt ständig Wärme an die Umgebung ab. Die Wärme wird zunächst durch Rohrwand und Dämmung geleitet und anschließend an der Außenfläche durch Konvektion und Strahlung abgegeben. Jeder Schritt wirkt als Wärmewiderstand. Diese Widerstände werden addiert:

q_L = (t_fluid − t_ambient) / R

Der Widerstand je Längeneinheit einer zylindrischen Schicht ist ln(D_outer / D_inner) / (2π × λ), derjenige der Außenfläche 1 / (h × π × D_outer). Das Ergebnis steht in Watt je Meter. Multiplizieren Sie für den Gesamtverlust mit der Länge und für die Jahresenergie mit der Betriebszeit.

Beispiel

Ein ungedämmtes Stahlrohr mit 60,3 mm Außendurchmesser führt Wasser mit 80 °C in einem Raum mit 20 °C. Der äußere Koeffizient beträgt 10 W/(m²·K). Der Oberflächenwiderstand ist 1 / (10 × π × 0,0603) = 0,528 m·K/W und der Verlust 60 / 0,528 = 114 W/m. Zehn Meter Rohr verlieren jährlich etwa 9950 kWh.

Wird dasselbe Rohr mit 30 mm Dämmung mit 0,04 W/(m·K) Wärmeleitfähigkeit umhüllt, kommt ein Widerstand von 2,75 m·K/W hinzu. Der Verlust sinkt auf etwa 20 W/m und damit um 82 %. Die äußere Oberfläche kühlt von etwa 80 °C auf etwa 25 °C ab.

Äußerer Wärmeübergangskoeffizient

Die unsicherste Eingabe ist der Koeffizient an der Außenfläche. Beim ungedämmten Rohr bestimmt er das Ergebnis direkt, bei guter Dämmung ist sein Einfluss geringer. Falls er unbekannt ist, berechnet das Werkzeug freie Konvektion für ein horizontales Rohr in ruhender Luft nach Churchill und Chu sowie Strahlung nach dem Gesetz von Stefan und Boltzmann. Blanke Aluminiumummantelung strahlt sehr wenig. Der Emissionsgrad verändert das Ergebnis deshalb deutlich.

Kritischer Dämmradius

Zusätzliche Dämmung erhöht den Wärmeleitwiderstand, vergrößert aber zugleich die Außenfläche. Bei sehr kleinen Rohren und Kabeln kann der zweite Effekt überwiegen und dünne Dämmung den Verlust erhöhen. Die Grenze ist r_cr = λ_insulation / h_outside. Bei Rohrleitungen der Gebäudetechnik beträgt dieser Radius meist wenige Millimeter. Daher verbessert Dämmung dort in der Praxis den Wärmeschutz.

Grenzen

Dies ist eine Vorberechnung. Verluste an Ventilen und Flanschen, temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit der Dämmung, Feuchtigkeit, Wind und erdverlegte Rohre werden nicht behandelt. Prüfen Sie bei Kälteleitungen neben dem Wärmeeintrag auch die Oberflächenkondensation.

Häufige Fragen

Wie berechnet man den Wärmeverlust eines gedämmten Rohrs?

Das Verfahren mit zylindrischen Wärmewiderständen ergibt 120,8 W/m für Fluid mit 320 °C bei 5 °C Umgebungsluft und 30 mm Dämmung auf einem Rohr mit 55 mm Durchmesser. Das Beispiel verwendet eine Rohrwärmeleitfähigkeit von 80 W/(m·K), eine Wärmeleitfähigkeit der Dämmung von 0,05 W/(m·K), einen inneren Koeffizienten von 60 W/(m²·K) und einen äußeren Koeffizienten von 18 W/(m²·K). Ventilverluste, Wind und Feuchtigkeit bleiben unberücksichtigt.

Mit diesen Werten berechnen