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SimuPipe

Kesselwirkungsgrad-Rechner

Berechnen Sie den Brennstoff-zu-Dampf-Wirkungsgrad (Dampfkessel-Wirkungsgrad) aus Brennstoffverbrauch und Dampfleistung nach der direkten Input-Output-Methode. Dampfeigenschaften nach IAPWS-IF97.

Dampferzeugung

T_sat = 184.1 °C

°C
Brennstoff
50.0MJ/kg(38.0 MJ/m³)
Ergebnisse

Thermischer Wirkungsgrad

84.3%

Dampfwärmestrom3395.7 kW
Brennstoffwärmestrom4027.8 kW
Wärmeverluste632.1 kW
Dampfenthalpie (h_s)2780.7 kJ/kg
Speisewasserenthalpie (h_fw)335.8 kJ/kg
Enthalpieanstieg (h_s − h_fw)2444.9 kJ/kg
Dampftemperatur184.1 °C
Speisewassertemperatur80.0 °C
CO₂-Emissionen732.8 kg/h
CO₂ je Tonne Dampf146.6 kg/t
Eingaben und Ergebnisse erklärt
  • Dampfdruck und -zustand. Der Kesselaustrittsdruck — ein Manometerwert wird vor der Stoffwertabfrage durch Addition der Normatmosphäre von 1,01325 bar in Absolutdruck umgerechnet — und ob der Dampf gesättigt oder auf eine angegebene Temperatur überhitzt austritt. Die Austrittsenthalpie h_s ist der IAPWS-IF97-Wert des gesättigten Dampfes bei diesem Druck bzw. der Heißdampfwert bei Druck und Temperatur.
  • Speisewassertemperatur. Die Wassertemperatur am Kesseleintritt (nach Entgaser oder Economiser). Ihre Enthalpie h_fw wird als unterkühlte Flüssigkeit beim Kesseldruck ausgewertet, die Enthalpieerhöhung h_s − h_fw ist also genau die vom Kessel je Kilogramm zugeführte Wärme; der Druckterm macht bei 10 bar nur etwa 1 kJ/kg aus, die Enthalpie der siedenden Flüssigkeit bei Speisewassertemperatur liefert praktisch dasselbe Ergebnis. Wärmeres Speisewasser bedeutet weniger Wärme je Kilogramm Dampf — deshalb steigert ein Economiser den Wirkungsgrad.
  • Dampfmassenstrom. Der tatsächlich den Kessel verlassende Dampf. Multipliziert mit der Enthalpieerhöhung ergibt er die Nutzleistung in kW. Absalzwasser verlässt den Kessel bei Sättigungstemperatur, ohne Dampf zu werden, und ist nicht in dieser Größe — seine Wärme zählt als Verlust.
  • Brennstoff und Brennwert. Der Brennwert (GCV, HHV) ist die je Kilogramm freigesetzte Wärme einschließlich der Verdampfungswärme des bei der Verbrennung gebildeten Wasserdampfs. Die Vorgaben sind illustrative Typwerte; gasförmige Brennstoffe sind je Normkubikmeter hinterlegt und werden mit einer typischen Dichte auf Massenbasis umgerechnet (Erdgas 38,0 MJ/Nm³ ÷ 0,76 kg/Nm³ = 50,0 MJ/kg — Netzgas liegt etwa bei 37–40 MJ/Nm³ und 0,70–0,80 kg/Nm³). Für einen konkreten Brennstoff „Benutzerdefiniert“ mit der Lieferantenanalyse verwenden.
  • Brennstoffverbrauch. Der Brennstoffmassenstrom. Bei volumetrisch gemessenem Gas vor der Eingabe mit derselben Dichte umrechnen (Nm³/h × kg/Nm³). Brennstoffenergie = Verbrauch × Brennwert.
  • Kesselwirkungsgrad. Die direkte Methode (Input-Output): η = Dampfleistung ÷ Brennstoffleistung, auf Brennwertbasis. Die Wärmeverluste sind schlicht die Differenz — Abgas, Abstrahlung, Absalzung und Unverbranntes zusammen — ohne Aufteilung; die liefert erst die indirekte Methode (Verlustverfahren).
  • CO₂-Emissionen. Der IPCC-Standard-Emissionsfaktor des Brennstoffs (Erdgas 56,1 g CO₂/MJ, Heizöl 74–77, Kohle 95–101) ist je Megajoule Heizwert definiert und wird daher auf die Brennstoffenergie geteilt durch das Brennwert/Heizwert-Verhältnis des Brennstoffs angewendet (1,11 Erdgas, 1,06 Öl, 1,04 Kohle). Biomasse und Biogas erscheinen mit null nach der Inventarkonvention, dass biogener Kohlenstoff im Landnutzungssektor und nicht am Schornstein bilanziert wird. Der Wert je Tonne teilt durch den Dampfmassenstrom.
  • Brennstoffvergleichstabelle. Für einen von Ihnen gesetzten Zielwirkungsgrad der Brennstoffverbrauch, den jede Vorgabe für dieselbe Dampfmenge bräuchte: bei gleichem Wirkungsgrad skaliert der Verbrauch mit 1/Brennwert — der Ausgangspunkt einer Brennstoffwechsel-Abschätzung.
Rechenbeispiel — 5 t/h Dampf bei 10 bar(g) mit Erdgas

Die Vorgaben des Rechners: ein Flammrohrkessel erzeugt 5.000 kg/h Sattdampf bei 10 bar(g) aus 80 °C Speisewasser und verbrennt 290 kg/h Erdgas.

  1. Brennstoffleistung: Erdgas mit 38.0 MJ/Nm³ und 0.76 kg/Nm³ hat 50.0 MJ/kg (Brennwert); 290 kg/h × 50.0 MJ/kg = 4028 kW Brennstoffenergie.
  2. Enthalpien (IAPWS-IF97): bei 10 bar(g) verlässt der Dampf den Kessel gesättigt bei 184.1 °C mit h_s = 2780.7 kJ/kg; das 80 °C warme Speisewasser beim Kesseldruck hat h_fw = 335.8 kJ/kg; der Kessel führt h_s − h_fw = 2444.9 kJ/kg zu.
  3. Dampfleistung: 5.000 kg/h × 2444.9 kJ/kg = 3396 kW.
  4. Wirkungsgrad: 3396 / 4028 = 84.3 % auf Brennwertbasis; die Differenz von 632 kW ist die Summe aus Abgas-, Abstrahlungs-, Absalz- und Unverbranntverlusten. Auf Heizwertbasis (NCV) liest derselbe Kessel 84.3 × 1.11 ≈ 93.6 % — das Brennwert/Heizwert-Verhältnis von Erdgas — deshalb braucht jede Wirkungsgradangabe ihre Basis.
  5. CO₂: der IPCC-Faktor gilt je MJ Heizwert, also 4028 kW / 1.11 = 3629 kW netto × 56,1 g/MJ = 733 kg/h bzw. 147 kg je Tonne Dampf.

Diese Zahlen werden von derselben Funktion berechnet, die der Rechner ausführt; die Vorgaben reproduzieren sie. Speisewasser auf 105 °C (Entgaser) oder ein Economiser senken die Enthalpieerhöhung je Kilogramm, und die Brennstoffvergleichstabelle zeigt, was dieselbe Leistung mit Öl, Kohle oder Biomasse bei einem gewählten Wirkungsgrad kostet.

Annahmen und Grenzen
  • Direkte Methode (Input-Output) nach ASME PTC 4 / EN 12953-11: Wirkungsgrad aus gemessenen Dampf- und Brennstoffströmen. Ihre Genauigkeit ist die der Messung — 2 % Fehler in einem der Ströme sind 2 % Fehler im Wirkungsgrad — und sie sagt nicht, wo die Verluste liegen; die indirekte Methode (Verlustverfahren) wird hier nicht durchgeführt.
  • Durchgehend Brennwertbasis (HHV). In Europa wird der Wirkungsgrad oft auf Heizwertbasis (NCV / LHV) angegeben, die um GCV/NCV höher liegt — etwa 1,11 bei Erdgas, 1,06 bei Heizöl, 1,04 bei Kohle. Nur Gleiches mit Gleichem vergleichen.
  • Stationärer Betrieb mit Dampfstrom gleich Speisewasserstrom: es gibt keine Absalzeingabe (kontinuierlich oder intermittierend), Absalzung, Sicherheitsventilabblasen, Rußbläserdampf und Niveauschwankungen werden also weder gutgeschrieben noch belastet — die Absalzwärme steckt schlicht in den ausgewiesenen Verlusten.
  • Brennwerte und Dichten sind typische Vorgabewerte; für einen realen Brennstoff gilt die Lieferantenanalyse, und die Gaszusammensetzung (und damit der Brennwert je Nm³) schwankt nach Netz und Jahreszeit.
  • Heißdampf nimmt die Austrittstemperatur wie angegeben, ohne Einspritzwasser zur Kühlung — bei vorhandener Einspritzung deren Masse vom eingegebenen Dampfstrom abziehen; Nassdampf (Dampfgehalt unter 1) wird nicht abgebildet und würde die Leistung überschätzen.
  • Hilfsenergie (Gebläse, Speisepumpen), Brennstoffvorwärmung sowie Anfahr- und Bereitschaftsverluste liegen außerhalb der Bilanzgrenze; dies ist der Verbrennungs-zu-Dampf-Wirkungsgrad, nicht der des Kesselhauses.
  • CO₂-Werte sind Verbrennungsemissionen aus den IPCC-Standardfaktoren von 2006, die je MJ Heizwert definiert sind und hier auf den Heizwertanteil der Brennwertenergie angewendet werden — keine Lebenszyklus- oder Vorkettenwerte, und null für biogene Brennstoffe nach Konvention.

Dampf- und Speisewasserenthalpien stammen aus derselben IAPWS-IF97-Engine wie der Wasserdampftafel-Rechner, der die veröffentlichten Prüfpunkte der Norm reproduziert; die Genauigkeit des SimuPipe-Solvers selbst ist dokumentiert auf der Validierungsseite.

Quellen

Methoden- und Datenquellen hinter dieser Seite:

  • ASME PTC 4-2013. Fired Steam Generators — Performance Test Codes — Input-Output- und Verlustverfahren und ihre Messanforderungen.
  • EN 12953-11:2003. Shell boilers — Part 11: Acceptance tests; EN 12952-15:2003. Water-tube boilers — Part 15: Acceptance tests — die europäischen Abnahmeversuchsverfahren und die Heizwertbasis-Konvention.
  • IPCC (2006). Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Volume 2, Chapter 2, Table 2.2 — default CO₂ emission factors. ipcc-nggip.iges.or.jp — die Emissionsfaktoren je MJ für die CO₂-Werte.
  • Spirax Sarco. Steam Engineering Tutorials — Boiler Efficiency and Combustion. spiraxsarco.com — Wirkungsgraddefinitionen, typische Verlustaufteilung und der Economiser-/Speisewassereffekt.
  • US DOE, Advanced Manufacturing Office. Steam Tip Sheet #4: Improve Your Boiler's Combustion Efficiency. energy.gov — typische Wirkungsgradbereiche und die wichtigsten Verbesserungsmaßnahmen.
  • IAPWS R7-97(2012). Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. iapws.org — die Dampf- und Flüssigkeitsenthalpien.

Über den Kesselwirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad eines Kessels gibt an, wie effizient die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in nutzbare Wärme im Dampf umgewandelt wird. Er ist eine der wichtigsten Kennzahlen für jedes Dampfsystem und wirkt sich direkt auf Brennstoffkosten, Betriebskosten und CO₂-Emissionen aus.

Brennstoff-zu-Dampf-Wirkungsgrad

Der Brennstoff-zu-Dampf-Wirkungsgrad — auch Dampfkessel-Wirkungsgrad genannt — ist der Anteil der Brennstoffenergie, der im Dampf ankommt. Er entspricht der Dampf-Energieleistung geteilt durch die Brennstoff-Energiezufuhr. Ein typischer industrieller Dampfkessel-Wirkungsgrad liegt bei 80–90 % auf Basis des Brennwerts (GCV); der Rest geht überwiegend über Abgas, Strahlung und Abschlämmung verloren. Diese Kennzahl gibt der Rechner als Hauptergebnis aus.

Direkte Methode (Input-Output)

Dieser Rechner verwendet die direkte Methode (Input-Output-Verfahren). Sie vergleicht die vom Wasser bzw. Dampf aufgenommene Energie mit der vom Brennstoff zugeführten Energie:

η (%)=Q˙steamQ˙fuel×100\eta \, (\%) = \frac{\dot{Q}_{\text{steam}}}{\dot{Q}_{\text{fuel}}} \times 100

Written out in measurable quantities, the boiler efficiency formula is:

η (%)=m˙s (hs−hfw)m˙f×GCV×100\eta \, (\%) = \frac{\dot{m}_{s} \, (h_{s} - h_{fw})}{\dot{m}_{f} \times \text{GCV}} \times 100

Der Dampfwärmestrom ergibt sich aus dem Massenstrom multipliziert mit der Enthalpiedifferenz zwischen austretendem Dampf und eintretendem Speisewasser. Der Brennstoffwärmestrom ist der Brennstoffverbrauch multipliziert mit dem Brennwert (Ho), auch als Higher Heating Value (HHV) bezeichnet.

Indirect Method (Heat-Loss)

The indirect method, also called the heat-loss method, calculates efficiency by adding up the individual losses as a percentage of fuel energy and subtracting them from 100%:

η (%)=100−∑Li\eta \, (\%) = 100 - \sum L_{i}

The main losses are: dry flue gas loss (sensible heat in the hot exhaust), loss from moisture and hydrogen in the fuel (the latent heat carried away as water vapour), radiation and convection loss from the boiler shell, blowdown loss, and unburnt-carbon loss. The indirect method (per ASME PTC 4 / BS 845 / EN 12952-15) needs flue-gas temperature and oxygen or CO₂ readings, but it pinpoints exactly where energy is wasted — which is why it is preferred for efficiency audits and improvement projects.

Typische Wirkungsgradbereiche

Moderne Flammrohr- und Wasserrohrkessel erreichen typischerweise 80–90 % Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert. Brennwertkessel können 90 % überschreiten, indem sie die latente Wärme aus den Abgasen zurückgewinnen. Ältere oder schlecht gewartete Kessel können bei 60–75 % liegen. Wesentliche Einflussfaktoren sind Luftüberschuss, Abgastemperatur, Kessellast, Brennstoffart, Belag/Verschmutzung der Wärmeübertragungsflächen und Zustand der Dämmung.

Wirkungsgrad verbessern

Übliche Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrads: Optimierung des Luftüberschusses (O2-Regelung), Einbau eines Economisers zur Speisewasservorwärmung mit Abgaswärme, Rückgewinnung der Abschlämmwärme, saubere Heizflächen, intakte Dämmung sowie Rückgewinnung von Entspannungsdampf aus Abschlämmung und Kondensatsystem.

Für Berechnungen zur Entspannungsdampf-Rückgewinnung nutzen Sie unseren Entspannungsdampf-Rechner. Für detaillierte Dampfeigenschaften bei beliebigem Druck und Temperatur verwenden Sie den Wasserdampftafel-Rechner. Für die Berechnung der Wärmeverluste durch Rohrdämmung probieren Sie den Dämmstärke-Rechner. Zur Auslegung von Dampfableitern und Kondensatleitungen nutzen Sie den Kondensatlast-Rechner. Für die vollständige Simulation von Rohrleitungsnetzen mit Dampfsystemen probieren Sie SimuPipe.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein guter Kesselwirkungsgrad?
Moderne Brennwert-Gaskessel erreichen 90–98 % thermischen Wirkungsgrad. Konventionelle Niedertemperaturkessel liegen typisch bei 75–85 %. Industrielle Flammrohr- und Wasserrohrkessel erreichen je nach Brennstoff, Last und Wartung 80–90 %. Im Teillastbetrieb und bei schlechter Verbrennungsabstimmung sinkt der Wirkungsgrad. Regelmäßige Wartung, Economiser und Luftvorwärmer können den Wirkungsgrad um 2–5 Prozentpunkte verbessern.
Was ist der Unterschied zwischen direkter und indirekter Methode?
Die direkte Methode (Input-Output) misst die Brennstoff-Energiezufuhr und die Nutzwärmeabgabe — Wirkungsgrad = Output/Input. Sie ist einfach, erfordert aber eine genaue Dampfmessung. Die indirekte Methode (Verlustrechnung) berechnet die einzelnen Verluste (Abgas, Strahlung, Abschlämmung) und subtrahiert sie von 100 %. Die indirekte Methode ist nützlicher zur Identifizierung konkreter Verbesserungspotenziale. Dieser Rechner verwendet die direkte Methode.
Wie wirkt sich die Speisewassertemperatur auf den Wirkungsgrad aus?
Eine höhere Speisewassertemperatur verringert die Energie, die der Kessel zuführen muss, und verbessert den Brennstoff-zu-Dampf-Wirkungsgrad. Eine Vorwärmung des Speisewassers von 20 auf 80 °C kann den Wirkungsgrad um 4–6 % verbessern. Economiser nutzen Abgaswärme zur Speisewasservorwärmung; die Kondensatrückführung ist wichtig, weil rückgeführtes Kondensat bereits heiß ist (oft 80–95 °C) gegenüber kaltem Frischwasser.
Warum ist der Dampfdruck für die Wirkungsgradberechnung wichtig?
Der Dampfdruck bestimmt die Enthalpie (Energieinhalt) des erzeugten Dampfs. Höherer Druck bedeutet höhere Enthalpie — der Kessel muss mehr Energie pro Kilogramm Dampf übertragen. Höherer Druck bedeutet aber auch höhere Sättigungstemperatur; bleibt die Speisewassertemperatur gleich, leistet der Kessel mehr Arbeit. Dieser Rechner verwendet IAPWS-IF97-Dampftafeln für genaue Enthalpiewerte bei Ihrem Betriebsdruck.
Wie werden die CO₂-Emissionen abgeschätzt?
Die CO₂-Emissionen ergeben sich aus dem Kohlenstoffgehalt und dem Verbrauch des Brennstoffs. Erdgas emittiert etwa 2,0 kg CO₂ pro Nm³ (rund 56 kg CO₂ je GJ). Kohle emittiert je nach Sorte etwa 90–100 kg CO₂ je GJ. Dieser Rechner schätzt die Emissionen anhand von Brennstoffart und Verbrauch. Für offizielle Berichte verwenden Sie geprüfte Emissionsfaktoren Ihrer Behörde oder des IPCC.
How do you calculate boiler efficiency?
There are two standard methods. The direct (input-output) method divides the useful heat absorbed by the steam by the energy in the fuel: efficiency = ṁ_steam × (h_steam − h_feedwater) ÷ (ṁ_fuel × GCV) × 100. It needs accurate steam-flow and fuel-flow measurements. The indirect (heat-loss) method instead adds up the individual losses — dry flue gas, moisture and hydrogen in the fuel, radiation and convection, blowdown, and unburnt carbon — as a percentage of fuel energy and subtracts them from 100%: efficiency = 100 − ΣLosses. The direct method is faster when you can meter both flows; the indirect method shows where energy is being wasted. This calculator uses the direct method with IAPWS-IF97 steam enthalpies.

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