2.2.1 Physikalisch-chemische Gesetzmässigkeiten

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)

Heizöl EL

Erdgas

Dichte ρ

kg/m3*

840

0.71

Brennwert Hs

kWh/kg

12,5

14,0

Heizwert Hi

kWh/kg

11,8

12,6

Hs/Hi

1,06

1,11

[CO2]max

V%

15,3

11,8

Wassertaupunkt

°C

λ = 1

50

58

λ = 1,5

43

50

* bei Gas Betriebskubikmeter (0,98 bar, 10 °C)

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 380, 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 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).

Die beim Unterschreiten des Taupunkts an der ab­gas­sei­ti­gen Oberfläche entstehenden Kondensate kor­ro­die­ren Stahl und Gusseisen. 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 2.48).

2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade

Die Begriffe «Wirkungsgrad» und «Nutzungsgrad» stellen beide ein Verhältnis von Nutzen zu Aufwand dar, der Wirkungsgrad ein Verhältnis von Leistungen, der Nutzungsgrad ein Verhältnis von Energien.

Zugeführter Energiestrom

Die im Brennstoff enthaltene chemische Energie, die Feuerungswärmeenergie, be­trägt

Egen,in Feuerungswärmeenergie bezüglich Brennwert in kWh
m Masse des Brennstoffs in kg
V Volumen des Brennstoffs in m3
ρ Dichte des Brennstoffs in kg/m3
Hs Brennwert in kWh/kg

Die Feuerungsleistung ist ent­spre­chend

Pgen,in Feuerungsleistung bezüglich Brennwert in kW
qm Massenstrom bei Brennerbetrieb in kg/h
qv Volumenstrom bei Brennerbetrieb in m3/h

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 Pgen,in.

Die Abgastemperatur eines nicht kondensierenden Kessels hängt stark von der eingestellten oder durch die Regelung veränderlichen Feuerungsleistung ab. Die Abgastemperatur steigt mit zunehmender Verschmutzung der Wärmeübertragungsflächen an.

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. Die Strahlungsverlustleistung ΦS während des Brennerbetriebs ist etwa gleich gross wie die weiter unten beschriebene Bereitschaftsverlustleistung bei Brennerstillstand.

Kesselwirkungsgrad

Es wird nun die Energiestrombilanz des Kessels bei Brennerbetrieb betrachtet (Bild 2.5). Die Kesselleistung Φgen,out ist um die Abgasverlustleistung ΦA und die Strahlungsverlustleistung ΦS geringer als die Feuerungsleistung Pgen,in. Andererseits wird die Kesselleistung vom Heizwasser aufgenommen:

Φgen,out 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 Kes­sel­lei­s­tung wird meistens über die Brennstoffzufuhr bedarfsabhängig geregelt. Der Kesselwirkungsgrad 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).

Moderne Kessel weisen bei 50 K Temperaturdifferenz zum Aufstellungsraum eine Bereitschaftsverlustleistung von 0,2 % bis 1 % der Feuerungsleistung auf.

2.2.3 Nutzungsgrad 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).

Der Jahresnutzungsgrad ηa eines Kessels gibt an, welcher Anteil der Jahres-Brennstoffenergie ans Heizwasser abgegeben wird. Er ist für Energienutzung und Wirtschaftlichkeit massgebend.

Bild 2.7 Energieflussbild eines Kessels

Der Normnutzungsgrad nach der früheren DIN 4702-8 ist ein in der Prüfanstalt ermittelter Jahresnutzungsgrad, basierend auf Messwerten bei verschiedenen Teillasten.

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.

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]

2.2.4 Bauarten Kesselanlagen

Kesselbauarten

Der Kesselbau hat sich stark entwickelt (Bild 2.9). 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 2.9 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. Das Abgas wird möglichst stark abgekühlt durch Wärmeabgabe an das Rücklaufwasser oder an die Verbrennungsluft. Das Kondensat kann in der Regel unbehandelt in die Kanalisation eingeleitet werden.

Brennerbauarten

Beim Öl-Zerstäuberbrenner wird das Öl unter hohem Druck 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.

Leistungsregelungen

Die einstufige Leistungsregelung erfolgt nur durch Ein- und Ausschalten des Wärmeerzeugers (Bild 2.10).

Die zweistufige Leistungsregelung schaltet bedarfsabhängig zwischen zwei fest eingestellten Leistungen und der Nullleistung um.

Die modulierende Leistungsregelung arbeitet stetig zwischen der Grund­last und der Volllast. Bei einem Leistungsbedarf unterhalb der Grund­last arbeitet auch dieser Brenner im Ein-Aus-Betrieb.

Bild 2.10 Brennerregelungen und typische Lastverhältnisse