Fachübersicht
Das Modul TANK berechnet die Wärmeverluste von Lagertanks – isoliert oder nicht isoliert, mit rundem oder rechteckigem Grundriss. Wer den Wärmeverlust eines Lagertanks berechnen will, braucht das Ergebnis für zwei zentrale Fragen der Anlagenplanung: Wie groß muss die Begleitheizung (Dampf, Thermoöl, Warmwasser über Halbrohrschlangen oder Rohrspiralen) ausgelegt werden, um die Lagertemperatur zu halten? Und wie schnell kühlt der Tankinhalt bei Heizungsausfall ab?
Das Modul bilanziert die Wärmeströme über Tankwand, Dach und Boden unter Berücksichtigung der jeweiligen Wärmeübergangsverhältnisse: innen freie Konvektion des Lagerguts (z. B. Schweröl, Wasser, Thermoöl), außen Konvektion an die Umgebungsluft mit Windeinfluss sowie die Wärmeleitung durch Wand und Isolierung. Neben dem stationären Wärmeverlust lassen sich auch instationäre Vorgänge betrachten, also die zeitliche Temperaturänderung des Tankinhalts beim Abkühlen.
Typische Anwendungen sind Schweröl- und Bitumentanks, deren Inhalt pumpfähig gehalten werden muss, beheizte Prozess- und Vorlagebehälter sowie die Optimierung der Isolierdicke: Der berechnete Wärmeverlust liefert direkt die Betriebskosten der Beheizung und damit die Entscheidungsgrundlage für die Wirtschaftlichkeit zusätzlicher Dämmung.
Anwendungsbereich
- Ermittlung der Wärmeverluste von Lagertanks
Typischer Arbeitsablauf
Geometrie und Aufbau erfassen
Grundriss (rund oder rechteckig), Abmessungen, Füllstand sowie der Wandaufbau von Mantel, Dach und Boden werden eingegeben – einschließlich Isolierschichten mit Dicke und Wärmeleitfähigkeit.
Betriebsbedingungen festlegen
Lagertemperatur des Mediums, Umgebungstemperatur (ggf. Auslegungswinter) und Windgeschwindigkeit werden vorgegeben; für den Boden geht die Erdreich- bzw. Fundamenttemperatur ein.
Wärmeübergangskoeffizienten bestimmen
Innen wird der Wärmeübergang durch freie Konvektion des Lagerguts an die Wand berechnet, außen die Überlagerung von Konvektion (mit Windeinfluss) und Strahlung; zusammen mit der Wärmeleitung durch Wand und Isolierung ergibt sich der Wärmedurchgangskoeffizient jeder Teilfläche.
Wärmeverlust bilanzieren
Die Verluste über benetzten Mantel, Gasraum, Dach und Boden werden einzeln berechnet und zum Gesamtwärmeverlust addiert. Daraus folgt unmittelbar die erforderliche Heizleistung zur Temperaturhaltung.
Instationäre Abkühlung bewerten
Optional wird aus Wärmeverlust und Wärmekapazität von Tankinhalt und Tankkörper der zeitliche Temperaturverlauf beim Abkühlen ermittelt – etwa um die zulässige Stillstandszeit bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur (z. B. Pumpfähigkeitsgrenze von Schweröl) anzugeben.
Häufige Fragen
Warum ist die Windgeschwindigkeit für den Wärmeverlust so wichtig?
Bei nicht oder schwach isolierten Tanks liegt der äußere Wärmeübergangswiderstand in derselben Größenordnung wie der Rest der Kette; der äußere Wärmeübergangskoeffizient steigt mit der Windgeschwindigkeit stark an und kann den Verlust eines unisolierten Tanks vervielfachen. Bei gut isolierten Tanks dominiert dagegen der Isolierwiderstand, und der Windeinfluss auf den Gesamtverlust wird klein.
Muss der Gasraum über dem Flüssigkeitsspiegel gesondert betrachtet werden?
Ja. Oberhalb des Füllstands ist der innere Wärmeübergang (Gas statt Flüssigkeit) deutlich schlechter, die Wandtemperatur liegt niedriger und der flächenbezogene Verlust ist geringer als im benetzten Bereich. Bei teilgefüllten Tanks führt eine Rechnung mit voll benetzter Wand daher zu überschätzten Verlusten; umgekehrt kann im Gasraum Kondensation an kalten Wänden ein eigenes Problem darstellen.
Wie wird der Wärmeverlust über den Tankboden angesetzt?
Der Boden gibt Wärme an Fundament und Erdreich ab; maßgebend sind Fundamentaufbau, eventuelle Bodenisolierung und die Erdreichtemperatur, die deutlich träger ist als die Lufttemperatur. Bei großen Flachbodentanks ist der Bodenverlust flächenbezogen meist klein gegenüber dem Mantel, kann aber wegen der großen Fläche absolut relevant sein.
Für welchen Auslegungsfall sollte die Heizleistung ausgelegt werden?
Üblich ist der ungünstigste stationäre Fall: tiefste anzusetzende Umgebungstemperatur, Auslegungswind, Solltemperatur des Lagerguts. Zusätzlich sollte geprüft werden, ob die Heizung auch das Wiederaufheizen nach einem Stillstand in vertretbarer Zeit schafft – das erfordert oft mehr Leistung als die reine Verlustdeckung.
Rechenbeispiel
Für den zylindrischen Mantel eines stehenden Lagertanks (Durchmesser 4 m, benetzte Höhe 6 m) mit 100 mm Mineralwolle-Isolierung soll der stationäre Wärmeverlust überschlägig berechnet werden. Das Lagergut hat 80 °C, die Umgebungsluft 0 °C. Die Krümmung des Mantels wird bei der dünnen Isolierschicht vernachlässigt (ebene Wand); Dach und Boden werden hier nicht betrachtet.
Gegeben
| Tankdurchmesser D | 4 m |
|---|---|
| Benetzte Mantelhöhe H | 6 m |
| Isolierdicke s | 100 mm |
| Wärmeleitfähigkeit Isolierung λ | 0,045 W/(m·K) |
| Innerer Wärmeübergangskoeffizient αi | 200 W/(m²·K) |
| Äußerer Wärmeübergangskoeffizient αa | 15 W/(m²·K) |
| Temperaturdifferenz ϑi − ϑa | 80 K |
Lösungsweg
Wärmedurchgangskoeffizient
Die Widerstände von Stahlwand und Anstrich sind vernachlässigbar klein. Für die ebene Wand gilt:
1/U = 1/αi + s/λ + 1/αa = 1/200 + 0,100/0,045 + 1/15 = 0,005 + 2,222 + 0,067 = 2,294 m²·K/W
U ≈ 0,436 W/(m²·K) – der Isolierwiderstand dominiert deutlich.
Mantelfläche
A = π · D · H = π · 4 · 6 ≈ 75,4 m²
Wärmeverlust
Q̇ = U · A · (ϑi − ϑa) = 0,436 · 75,4 · 80 ≈ 2 630 W
Der Mantel verliert also rund 2,6 kW; für die Auslegung der Begleitheizung kommen die Verluste über Dach, Boden und den unbenetzten Wandbereich hinzu.
Ergebnis
| Wärmedurchgangskoeffizient U | ≈ 0,44 W/(m²·K) |
|---|---|
| Mantelfläche A | ≈ 75,4 m² |
| Wärmeverlust Mantel Q̇ | ≈ 2,6 kW |
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7