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Ausgewählte Firmen der Wärmeerzeugung
2.2.1 Physikalischchemische Gesetzmässigkeiten
2.2.1 Physikalischchemische Gesetzmässigkeiten – 2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade – 2.2.3 Bauarten Kesselanlagen
Verbrennungsvorgang
Verbrennung ist die chemische Verbindung (Oxidation) der brennbaren Elemente von Brennstoffen mit Sauerstoff unter Bildung von Wärme:
Kohlenstoff C + O2 → CO2
Wasserstoff 2H + 1/2 O2 → H2O
Schwefel S + O2 → SO2
Eine stöchiometrische Verbrennung ist eine vollständige Verbrennung gemäss obigen Gleichungen. Dazu wird eine bestimmte Menge Luft benötigt. Der O2-Gehalt des Abgases ist null, der CO2-Gehalt hingegen maximal.
Um mit Sicherheit im Dauerbetrieb eine vollständige Verbrennung zu erhalten, wird meistens mit einem Luftüberschuss in der Grössenordnung von 20 % bzw. einem Luftverhältnis λ = 1,2 gearbeitet. Unter diesen Bedingungen finden sich im Abgas noch O2 und ein entsprechend geringerer Anteil an CO2. Diese Anteile werden deshalb zur Ermittlung des Luftverhältnisses gemessen. Es gilt näherungsweise:
- [CO2], [O2] Volumenanteile im trockenen Abgas
- [CO2]max stöchiometrischer Kohlendioxidanteil (Bild 2.4)
-
Bild 2.4 Brennstoffdaten
Brennwert und Heizwert
Der Brennwert Hs (früher: oberer Heizwert) ist die Wärmemenge, welche bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf kondensiert. Der Heizwert Hi (früher: unterer Heizwert) ist die Wärmemenge, welche bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf entweicht. Brennstoffdaten sind Bild 2.4 zu entnehmen, weitere [SIA 384/1] [Rec1]. Bei vollständiger Kondensation des Wasserdampfs ist also die Energieausbeute für Erdgas 11 % und für Öl 6 % höher als bei konventioneller Verbrennung ohne Abgas-Kondensation.
Vorsicht: In den Euro-Normen und insbesondere in den SIA-Normen besteht die physikalisch sinnvolle Tendenz, alle Kenngrössen, wie Leistungen, Energien, Wirkungs- und Nutzungsgrade auf den Brennwert zu beziehen. In den Normen ist dies aber noch nicht konsequent und der Praxis noch wenig umgesetzt. Dies ist bei der Interpretation von Zahlenwerten zu beachten.
Taupunkt
Bei der Abkühlung der Abgase beginnt der als Verbrennungsprodukt entstandene Wasserdampf bei einer bestimmten Temperatur zu kondensieren. Diese Wassertaupunkt-Temperatur hängt vom Wasserstoffgehalt des Brennstoffs ab. Sie sinkt mit wachsendem Luftverhältnis (Bild 2.4).
Da Heizöl Schwefel enthält, entsteht bei der Verbrennung Schwefeldioxid (SO2). Dieses verbindet sich mit Wasser zu schwefliger Säure (H2SO3) und Schwefelsäure (H2SO4). Der Taupunkt wird dadurch jedoch kaum beeinflusst.
Abgasseitige Kesselkorrosion
Die beim Unterschreiten des Taupunkts an der abgasseitigen Oberfläche entstehenden Kondensate korrodieren die üblichen Kesselwerkstoffe. Liegt die Oberflächentemperatur unter dem Wassertaupunkt, so trägt die Sauerstoffkorrosion Stahl und Gusseisen unzulässig schnell ab. Eine wirksame Korrosionsbremse stellt die Hochhaltung der Rücklauftemperatur auf etwa 60 °C dar. Durch geregeltes Beimischen von heissem Vorlaufwasser in den Rücklauf kann am Kesseleintritt die Minimaltemperatur erreicht werden (Bild 2.12).
2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade
2.2.1 Physikalischchemische Gesetzmässigkeiten – 2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade – 2.2.3 Bauarten Kesselanlagen
Die Begriffe «Wirkungsgrad» und «Nutzungsgrad» stellen beide ein Verhältnis von Nutzen zu Aufwand dar, der Wirkungsgrad ein Verhältnis von Leistungen (Φ), der Nutzungsgrad ein Verhältnis von Energien (Q).
Zugeführter Energiestrom
Die im Brennstoff enthaltene chemische Energie, die Feuerungswärmeenergie, beträgt
- QF Feuerungswärmeenergie bezüglich Brennwert in kJ
- m Masse des Brennstoffs in kg
- V Volumen des Brennstoffs in m3
- ρ Dichte des Brennstoffs in kg/m3
- Hs Brennwert in kJ/kg
-
Die Feuerungsleistung ist entsprechend
- ΦF Feuerungsleistung bezüglich Brennwert in kW
- qm Massenstrom bei Brennerbetrieb in kg/s
- qv Volumenstrom bei Brennerbetrieb in m3/s
-
Als Hilfsenergie wird bei der Umwandlung der chemischen in thermische Energie meist noch elektrische Energie benötigt (Ventilator, Brennstoffpumpe, Ölvorwärmung). Der Bedarf an elektrischer Energie beträgt einige Promille bis wenige Prozente der Brennstoffenergie. Bei der üblichen Festlegung der Bilanz- oder Systemgrenze für den Kessel fällt sie allerdings nicht in Betracht (Bild 2.5).
Bild 2.5 Bilanzgrenze des Kessels und Energieströme bei Brennerbetrieb
Abgasverlust
Da das aus dem Kessel austretende Abgas eine höhere Temperatur (und Enthalpie) aufweist als die eintretende Verbrennungsluft, entsteht ein Abgasverlust. Er tritt bei Brennerbetrieb auf. Die von den Verbrennungsgasen an den Kessel übertragene Wärmeleistung ist um die Abgasverlustleistung ΦA geringer als die Feuerungsleistung ΦF.
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung auf den Kessel übertragen wird. Er hängt ab von der Abgastemperatur, dem Luftverhältnis und dem Brennstoff. Er wird von der amtlichen Feuerungskontrolle gemessen. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad nicht kondensierender Kessel (bezogen auf den Heizwert) kann nach einer amtlichen Formel ermittelt werden [BAFU1]
. Diese Formel ist in Bild 2.6 rechts des Knicks (Wassertaupunkt) dargestellt. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad im Kondensationsbetrieb ist dem Bild links des Taupunkts zu entnehmen. Da die amtliche Formel sich auf den Heizwert bezieht, ergeben sich im Kondensationsbetrieb Werte über eins. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert ergibt sich nun:
- ηF,Hi amtlicher, feuerungstechnischer Wirkungsgrad (bezüglich Heizwert)
-
Bild 2.6 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad (bezüglich Heizwert) für Gas- und Ölkondensationskessel [Koe]
Beispiel:
Ölkessel mit Abgastemperatur 120 °C und CO2-Gehalt 9 %
Gemäss Bild 2.6 ist ηF,Hi = 0,94.
Dieser feuerungstechnische Wirkungsgrad ist gemäss [LRV] zulässig (Grenzwert einstufige Brenner 0,93).
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad bezüglich Brennwert beträgt ηF = 0,94/1,06 = 0,89.
Strahlungsverlust
Der Verlust des Kessels an den Heizraum erfolgt durch Strahlung, Konvektion und Leitung (kurz Strahlungsverlust genannt). Er tritt während der ganzen Kesselbetriebsdauer (Brennerstillstand und Brennerbetrieb) auf. Der Strahlungsverlust hängt ab von Kesselgrösse und Kesselisolation sowie der Kesselwassertemperatur. Der dimensionslose Strahlungsverlust qS gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung durch Strahlung, Konvektion und Leitung verloren geht. Der dimensionslose Strahlungsverlust qS während des Brennerbetriebs ist etwa gleich gross wie der weiter unten beschriebene Bereitschaftsverlust qB bei Brennerstillstand.
Kesselwirkungsgrad
Es wird nun die Energiestrombilanz des Kessels bei Brennerbetrieb betrachtet (Bild 2.5). Die Kesselleistung ΦK ist um die Abgasverlustleistung ΦA und die Strahlungsverlustleistung ΦS geringer als die Feuerungsleistung ΦF. Andererseits wird die Kesselleistung vom Heizwasser aufgenommen:
- ΦK Kesselleistung in kW
- qm,w Massenstrom Heizwasser in kg/s
- cw spezifische Wärmekapazität Wasser, 4,19 kJ/kgK
- θV, θR Vor- bzw. Rücklauftemperatur Heizwasser in °C
-
Der Kesselwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung bei Brennerbetrieb an das Heizwasser abgegeben wird:
Die Feuerungsleistung, und damit auch die Kesselleistung, ist am Brenner einstellbar. Die Kesselleistung ist oft kleiner als die auf dem Typenschild angegebene Kessel-Nennleistung. Der Kesselwirkungsgrad eines modernen Kessels ist bei reduzierter Kesselleistung, infolge der tieferen Abgastemperatur, meist besser als bei Nennleistung.
Bereitschaftsverlust
Auch ohne Nutzwärmeabgabe hat der Kessel Verluste, solange die Kesseltemperatur über der Umgebungstemperatur liegt. Die Ursachen dieses Verlusts in Bereitschaft sind:
- Strahlungsverlust und
- innerer Auskühlverlust (Wärmeabgabe an die durch den Kessel strömende Luft infolge von Kaminzug und Brennerundichtheit).
Der dimensionslose Bereitschaftsverlust qB ist:
- ΦB Bereitschaftsverlustleistung (Leistung zur Aufrechterhaltung der Kesseltemperatur)
-
Der Bereitschaftsverlust ist näherungsweise proportional der Temperaturdifferenz zwischen Kessel und Aufstellungsraum. Moderne Kessel weisen dimensionslose Bereitschaftsverluste (bei 50 K Temperaturdifferenz) in der Grössenordnung von qB = 0,002 bis 0,01 auf.
Jahresnutzungsgrad des Kessels
Die für den Betrieb massgebliche Periode ist normalerweise ein Jahr. Bei kombinierter Wassererwärmung steht der Kessel das ganze Jahr in Betrieb, sonst nur während der Heizperiode. Während der Kesselbetriebszeit wechseln Brennerbetrieb und -stillstand ab. Nun wird die Jahres-Energiebilanz des Kessels in den Bilanzgrenzen gemäss Bild 2.5 betrachtet. Die vom Kessel während eines Jahres ans Heizwasser abgegebene Energie ergibt sich aus der Feuerungswärmeenergie abzüglich der Abgas-, Strahlungs- und Bereitschaftsverluste (Bild 2.7).
Bild 2.7 Energieflussbild eines Kessels
Der Jahresnutzungsgrad eines Kessels gibt an, welcher Anteil der Jahres-Brennstoffenergie ans Heizwasser abgegeben wird (Bild 2.7):
- QF,a jährliche Feuerungswärmeenergie
- QK,a jährliche Nutzwärme des Kessels
- QA,a jährliche Abgasverlustwärme
- QS,a jährliche Strahlungsverlustwärme
- QB,a jährliche Bereitschaftsverlustwärme
-
Für Energienutzung und Wirtschaftlichkeit eines Kessels ist der Jahresnutzungsgrad massgebend. Bei einstufigen, nicht kondensierenden Kesseln und konstanter Kesseltemperatur kann der Jahresnutzungsgrad einfach ermittelt werden [Wei]:
- αa Verhältnis Brennzeit / Kesselbetriebsdauer
-
Vermehrt werden weiter entwickelte Kesseltypen eingesetzt. Die Gleichung erlaubt in diesen Fällen immerhin eine untere Grenze des Jahresnutzungsgrads abzustecken.
Der Normnutzungsgrad [DIN 4702] ist ein in der Prüfanstalt ermittelter Jahresnutzungsgrad. Die Wassertemperaturen bei Volllast sind auf 75/60 °C (bei Kondensationskesseln 40/30 °C) festgelegt. Der Betrieb erfolgt gleitend bis zu einer allfälligen Minimaltemperatur.
Beträgt die betrachtete Periode nicht ein Jahr, sondern beispielsweise einen Tag, so wird von Teillastnutzungsgrad gesprochen. Die massgeblichen Einflüsse auf den Teillastnutzungsgrad sind:
- die Auslastung (Verhältnis der mittleren, ans Heizwasser abgegebenen Leistung zur Kesselnennleistung)
- die Kesselwirkungsgrade für Volllast und ggf. für Minimallast bei Brennerbetrieb
- die Bereitschaftsverlustleistung bei Brennerstillstand
Bild 2.8 zeigt Teillastnutzungsgrade verschiedener Kesselgenerationen. Bei kleiner Auslastung fällt der Teillastnutzungsgrad sehr stark ab. Bei Kesseln mit grossen Verlusten ohne Modulation erfolgt der Steilabfall bereits bei vergleichsweise hohen Auslastungen. Die Gefahr, den Kessel in diesem Bereich zu betreiben, ist am grössten bei der Wassererwärmung im Sommer oder bei starker Überdimensionierung. Der Jahresnutzungsgrad setzt sich zusammen aus verschiedenen Zeitperioden mit den entsprechenden Teillastnutzungsgraden. Eine solche Berechnung wird bei [SIA 384/3] und [SIA 382/2] durchgeführt.
Bild 2.8 Teillastnutzungsgrad (bezüglich Brennwert) von Gaskesseln in Funktion der Auslastung bei Prüftemperaturen (Volllast: 70 °C, Teillast: gemäss Typ), nach [EN 15316-4-1 Anhang B]
Abgastemperatur nicht kondensierender Kessel
Abgastemperaturdiagramm: Für jeden Heizkessel existiert ein Diagramm mit der Abgastemperatur in Abhängigkeit von der Kessel��leistung (Beispiel Bild 2.9). Dieses ist unentbehrlich für die Abstimmung der effektiven Kesselleistung auf Kamin und Anlage. Das Diagramm gilt unter bestimmten Randbedingungen:
- Kesselwassertemperatur (z.B. 70 °C)
- Luftverhältnis (z.B. bei Nennlast 1,2; Halblast 1,3)
Bild 2.9 Abgastemperaturdiagramm einer Kesselreihe (Kurvenparameter = Kesselnennleistung ΦK,n, d.h. max. Kesselleistung gemäss Typenschild)
Turbulatoren: Bei gewissen Kesseln kann durch Einbau von Schikanen der Wärmeübergang vom Verbrennungsgas auf den Kessel verbessert werden. Damit entsteht eine tiefer liegende Abgastemperatur-Kennlinie.
Verschmutzung: Ein Belag auf den Wärmeübertragungsflächen bewirkt eine Abgastemperatur-Zunahme. Die Abgastemperatur sollte periodisch kontrolliert werden. Bei einem Anstieg wird die Kesselreinigung veranlasst.
2.2.3 Bauarten Kesselanlagen
2.2.1 Physikalischchemische Gesetzmässigkeiten – 2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade – 2.2.3 Bauarten Kesselanlagen
Kesselbauarten
Der Kesselbau hat sich stark entwickelt (Bild 2.10). Der Begriff «gleitend» bedeutet, dass der Kessel ohne Mischventil direkt auf die Heizflächen wirken kann, er hat somit immer die tiefstmögliche Wassertemperatur (Bild 3.10a). Korrosionsgefährdete Kessel können nur oberhalb einer bestimmten Minimaltemperatur gleitend betrieben werden.
Bild 2.10 Arbeitsbereiche von Kesseln
Bauart A: Gusskessel, gleitend, für hohe Abgastemperatur. Ursprünglich Kohlekessel. Veraltet.
Bauart B: Stahlkessel für hohe Wassertemperatur und hohe Abgastemperatur. Veraltet.
Bauart C: Kessel mit nach unten begrenzter Wassertemperatur und tiefer Abgastemperatur. Evtl. Einstellung der Abgastemperatur mit Schikanen.
Bauart D: Kessel, gleitend, für relativ hohe Abgastemperatur, deshalb keine Kaminprobleme.
Bauart E: Kondensationskessel für gleitenden Betrieb mit Abgastemperaturen unter dem Wassertaupunkt. Es kann unter Umständen sinnvoll sein, einen Kondensationskessel nicht kondensierend zu betreiben, da er auch dann einen sehr guten feuerungstechnischen Wirkungsgrad aufweist. Das Abgas wird möglichst stark abgekühlt durch Wärmeabgabe an das Rücklaufwasser. Andere Konstruktionen bewerkstelligen die Abkühlung des Abgases durch Wärmeabgabe an die Verbrennungsluft. Da Gas-Kondensat nicht allzu sauer ist, kann es unbehandelt in die Kanalisation eingeleitet werden. Öl-Kondensat muss unter Umständen neutralisiert werden.
Kompakt-Heizzentralen sind werkgefertigte Einheiten von Kessel, Brenner und Regelung. Sie haben Vorteile bezüglich Installation, Service sowie Abstimmung zwischen Brenner und Kessel.
Brennerbauarten
Beim üblichen Öl-Zerstäuberbrenner wird das Öl meist unter einem Druck von 10 bis 15 bar in feine Tröpfchen zerstäubt und mit der Verbrennungsluft vermischt. Die Düsenkanäle für Leistungen bis hinunter auf etwa 15 kW sind derart fein, dass nur mit elektrischer Ölvorwärmung ein störungsfreier Betrieb möglich ist. Ölbrenner für noch kleinere Leistungen werden nach dem Druckluftzerstäubungs- oder dem Ölvergasungsprinzip gebaut.
Gasgebläsebrenner sind ähnlich aufgebaut wie Öl-Druckzerstäuberbrenner, jedoch ohne das anspruchsvolle Ölfördersystem.
Zweistoffbrenner für die Verbrennung von Gas und Öl erlauben dem Energieversorgungsunternehmen, bei Gas-Spitzenverbrauch ferngesteuert auf Öl umzuschalten. Dafür wird ein günstigerer Gaspreis gewährt. In Anbetracht der Verstopfungsgefahr der Öldüsen bei Gasbetrieb sind Zweistoffbrenner empfehlenswert ab etwa 200 kW.
Einstufige, zweistufige, modulierende Brenner
Die einstufige Leistungsregelung erfolgt nur durch Ein- und Ausschalten des Brenners (Bild 2.11).
Bild 2.11 Brennerregelungen und typische Lastverhältnisse
Zweistufige Brenner weisen zwei Düsen auf oder arbeiten mit zwei Öldrücken. Die Grundlast kann aus konstruktiven Gründen nicht beliebig tief angesetzt werden: bis 125 kW oft nicht tiefer als 70 % der Volllast, darüber nicht tiefer als 50 bis 40 %. Eine Leistungsstufung 70/100 nützt allerdings wenig.
Modulierende Brenner regeln stetig zwischen der Grundlast und der Volllast. Bei einem Leistungsbedarf unterhalb der Grundlast arbeitet auch dieser Brenner im Ein-Aus-Betrieb. Bei Gas ist die Modulation selbst im Einfamilienhaus üblich. Sie kann allerdings nur dann etwas nützen, wenn die Grundlast wesentlich unter dem Heizleistungsbedarf liegt.
Low-NOx-Feuerungsanlagen
Darunter werden Brenner und Kessel verstanden, welche die folgenden Emissionsgrenzwerte (angegeben bei 3 % O2 im Abgas) einhalten[LRV]:
NOx, angegeben als NO2:
- Heizöl EL 120 mg/m3 Abgas ≈ 60 ppm
- Erdgas 80 mg/m3 Abgas ≈ 40 ppm
CO: 80 mg/m3 Abgas ≈ 64 ppm
Die Stickoxide entstehen bei der Verbrennung aus dem Stickstoff der Luft und des Brennstoffs zusammen mit dem Sauerstoff. Die NOx-Bildung wird begünstigt durch hohe Temperatur (vor allem über 1300 °C) und lange Verweilzeit in der heissen Zone. Primär entsteht vor allem Stickstoffmonoxid (NO), welches später in der Atmosphäre zum gefährlicheren Stickstoffdioxid (NO2) aufoxidiert.
Ein- oder Mehrkesselanlagen?
Energiesparpotenzial: früher der Hauptgrund für Mehrkesselanlagen. Bei modernen Heizkesseln mit ihren kleinen Bereitschaftsverlusten fällt dieser Grund dahin. Auch ein kleinerer Sommer-Kessel für die Wassererwärmung ist meist nicht mehr angezeigt.
Betriebssicherheit: In Wohn- und Geschäftshäusern kann ein Betriebsunterbruch von einigen Stunden zur Behebung einer Brennerstörung oder für eine Kesselreparatur meist in Kauf genommen werden. Mehrkesselanlagen kommen infrage beispielsweise für Spitäler oder andere Grossanlagen.
Verschiedene Energieträger: Zwecks Erhöhung der Versorgungssicherheit oder Nutzung eines günstigen Energieträgers (eigenes Holz) werden oft 2-Kessel-Anlagen gebaut. Bild 2.12 zeigt eine grössere Anlage für Holz und Öl. Der Speicher dient auch der hydraulischen Entkopplung von Wärmeerzeugern und Verbrauchern. Die Kessel sind mit einer Rücklauftemperatur-Hochhaltung ausgerüstet. Rechts oben das Mischventil der Beimischschaltung des Verbrauchers.
Bild 2.12 2-Kessel-Anlage für Öl und Holz