{"id":206,"date":"2016-02-01T11:54:35","date_gmt":"2016-02-01T10:54:35","guid":{"rendered":"https:\/\/enbau-online.ch\/heizung-lueftung-elektrizitaet\/?p=206"},"modified":"2020-08-28T08:37:08","modified_gmt":"2020-08-28T06:37:08","slug":"2-2-gas-und-oelfeuerung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/enbau-online.ch\/heizung-lueftung-elektrizitaet\/2-2-gas-und-oelfeuerung\/","title":{"rendered":"2.2 Gas- und \u00d6lfeuerung"},"content":{"rendered":"

2.2.1<\/span> Physikalisch-chemische Gesetzm\u00e4ssigkeiten<\/h2>\n

Verbrennungsvorgang<\/span><\/p>\n

Verbrennung<\/a> ist die chemische Verbindung (Oxi\u00adda\u00adti\u00adon) der brennbaren Elemente von Brennstoffen mit Sauerstoff unter Bildung von W\u00e4rme:<\/p>\n

Kohlenstoff C + O2<\/span> \u2192 CO2
\n<\/span>Wasserstoff 2H + 1<\/span>\/2<\/span> O2<\/span> \u2192 H2<\/span>O
\nSchwefel S + O2<\/span> \u2192 SO2<\/span><\/p>\n

Eine <\/a>st\u00f6chiometrische Verbrennung ist eine voll\u00adst\u00e4n\u00addi\u00adge Verbrennung gem\u00e4ss obigen Gleichungen. Dazu wird eine bestimmte Menge Luft be\u00adn\u00f6tigt. Der O2<\/span>-Gehalt des Abgases ist null, der <\/a>CO2<\/span>-Gehalt hingegen maximal.<\/p>\n

Um mit Sicherheit im Dauerbetrieb eine vollst\u00e4ndige Verbrennung zu erhalten, wird meistens mit einem Luft\u00fcberschuss in der Gr\u00f6ssenordnung von 20 % bzw. einem Luftverh\u00e4ltnis<\/a> \u03bb<\/span> = 1,2 gearbeitet. Unter diesen Bedingungen finden sich im Abgas noch O2<\/span> und ein entsprechend geringerer Anteil an CO2<\/span>. Diese Anteile werden deshalb zur Ermittlung des Luft\u00adver\u00adh\u00e4lt\u00adnis\u00adses<\/span> ge\u00admes\u00adsen. Es gilt n\u00e4herungsweise:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

[CO2<\/span>], [O2<\/span>] Volumenanteile im trockenen Abgas
\n[CO2<\/span>]max <\/span><\/a>st\u00f6chiometrischer Kohlendioxidanteil (Bild 2.4)<\/p>\n\n\n\n\n\n\n<\/colgroup>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
<\/td>\n\n

Heiz\u00f6l EL<\/p>\n<\/td>\n

\n

Erdgas<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/thead>\n

\n

Dichte \u03c1<\/span><\/p>\n<\/td>\n

\n

kg\/m3<\/span>*<\/p>\n<\/td>\n

\n

840<\/p>\n<\/td>\n

\n

0.71<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

\n

Brennwert H<\/span>s<\/span><\/p>\n<\/td>\n

\n

kWh\/kg<\/p>\n<\/td>\n

\n

12,5<\/p>\n<\/td>\n

\n

14,0<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

\n

Heizwert H<\/span>i<\/span><\/p>\n<\/td>\n

\n

kWh\/kg<\/p>\n<\/td>\n

\n

11,8<\/p>\n<\/td>\n

\n

12,6<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

\n

H<\/span>s<\/span>\/H<\/span>i<\/span><\/p>\n<\/td>\n

\n

1,06<\/p>\n<\/td>\n

\n

1,11<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

\n

[CO2<\/span>]max<\/span><\/p>\n<\/td>\n

\n

V%<\/p>\n<\/td>\n

\n

15,3<\/p>\n<\/td>\n

\n

11,8<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

\n

Wassertaupunkt<\/p>\n<\/td>\n

\n

\u00b0C<\/p>\n<\/td>\n

\n

\u03bb<\/span> = 1<\/p>\n<\/td>\n

\n

50<\/p>\n<\/td>\n

\n

58<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

<\/td>\n<\/td>\n\n

\u03bb<\/span> = 1,5<\/p>\n<\/td>\n

\n

43<\/p>\n<\/td>\n

\n

50<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

\n

* bei Gas Betriebskubikmeter (0,98 bar, 10 \u00b0C)<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Bild 2.4 Brennstoffdaten<\/a><\/p>\n

Brennwert und Heizwert<\/span><\/a><\/p>\n

Der <\/a>Brennwert H<\/span>s<\/span> (fr\u00fcher: oberer Heizwert) ist die W\u00e4rmemenge, welche bei vollst\u00e4ndiger Verbrennung frei wird, wenn der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf kondensiert. Der Heizwert H<\/span>i<\/span> (fr\u00fcher: unterer Heizwert) ist die W\u00e4rmemenge, welche bei vollst\u00e4ndiger Verbrennung frei wird, wenn der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf entweicht. Brennstoffdaten sind Bild 2.4 zu entnehmen, weitere [SIA 380, Rec1]. Bei vollst\u00e4ndiger Kondensation des Wasserdampfs ist also die Energieausbeute f\u00fcr Erdgas 11 % und f\u00fcr \u00d6l 6 % h\u00f6her als bei konventioneller Verbrennung ohne Abgas-Kondensation.<\/p>\n

Vorsicht:<\/span> In den Normen besteht die physikalisch sinnvolle Tendenz, alle Kenngr\u00f6ssen, 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.<\/p>\n

Taupunkt<\/span><\/a><\/p>\n

Bei der Abk\u00fchlung der Abgase beginnt der als Ver\u00adbren\u00adnungs\u00adpro\u00addukt entstandene Wasserdampf bei ei\u00adner bestimmten Temperatur zu kondensieren. Diese Wassertaupunkt-Temperatur h\u00e4ngt vom Was\u00adser\u00adstoff\u00adge\u00adhalt des Brennstoffs ab. Sie sinkt mit wach\u00adsen\u00addem Luftverh\u00e4ltnis (Bild 2.4).<\/p>\n

Die beim Unterschreiten des Taupunkts an der ab\u00adgas\u00adsei\u00adti\u00adgen Oberfl\u00e4che entstehenden Kondensate kor\u00adro\u00addie\u00adren Stahl und Gusseisen. Eine wirk\u00adsa\u00adme Kor\u00adro\u00adsions\u00adbrem\u00adse stellt die Hoch\u00adhal\u00adtung der R\u00fcck\u00adlauftem\u00adpe\u00adra\u00adtur auf etwa 60 \u00b0C dar. Durch ge\u00adre\u00adgel\u00adtes Bei\u00admi\u00adschen von heis\u00adsem Vor\u00adlauf\u00adwas\u00adser in den R\u00fcck\u00adlauf kann am Kesseleintritt die Minimaltemperatur erreicht wer\u00adden (Bild 2.48).<\/p>\n

2.2.2<\/span> Leistungen und Wirkungsgrade<\/h2>\n

Die Begriffe \u00abWirkungsgrad\u00bb und \u00abNutzungsgrad\u00bb<\/a> stellen beide ein Verh\u00e4ltnis von Nutzen zu Aufwand dar, der Wirkungsgrad ein Verh\u00e4ltnis von Leistungen, der Nutzungsgrad ein Verh\u00e4ltnis von Energien.<\/p>\n

Zugef\u00fchrter Energiestrom<\/span><\/p>\n

Die im Brennstoff enthaltene chemische Energie, die Feuerungsw\u00e4rmeenergie, <\/span>be\u00adtr\u00e4gt<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

E<\/span>gen,in<\/span> Feuerungsw\u00e4rmeenergie bez\u00fcglich Brennwert in kWh
\nm<\/span> Masse des Brennstoffs in kg
\nV<\/span> Volumen des Brennstoffs in m3
\n<\/span>\u03c1<\/span><\/em> Dichte des Brennstoffs in kg\/m3
\n<\/span>H<\/span>s<\/span> Brennwert in kWh\/kg<\/p>\n

Die <\/a>Feuerungsleistung <\/span>ist ent\u00adspre\u00adchend<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

P<\/span>gen,in<\/span> Feuerungsleistung bez\u00fcglich Brennwert in kW
\nq<\/span>m<\/span> Massenstrom bei Brennerbetrieb in kg\/h
\nq<\/span>v<\/span> Volumenstrom bei Brennerbetrieb in m3<\/span>\/h<\/p>\n

Als Hilfsenergie wird bei der Umwandlung der che\u00admi\u00adschen in thermische Energie meist noch elektrische Energie ben\u00f6tigt (Ventilator, Brennstoffpumpe, \u00d6l\u00advor\u00adw\u00e4r\u00admung). Der Bedarf an elektrischer Energie betr\u00e4gt einige Promille bis wenige Prozente der Brenn\u00adstoffenergie. Bei der \u00fcblichen Festlegung der Bilanz- oder Systemgrenze f\u00fcr den Kessel f\u00e4llt sie allerdings nicht in Betracht (Bild 2.5).<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 2.5 Bilanzgrenze des Kessels und Energiestr\u00f6me bei Brennerbetrieb <\/a><\/p>\n

Abgasverlust<\/span><\/a><\/p>\n

Da das aus dem Kessel austretende Abgas eine h\u00f6here Temperatur (und Enthalpie<\/a>) aufweist als die eintretende Verbrennungsluft, entsteht ein Abgasverlust. Er tritt bei Brennerbetrieb auf. Die von den Verbrennungsgasen an den Kessel \u00fcbertragene W\u00e4rmeleistung ist um die Abgasverlustleistung \u03a6<\/span>A<\/span> geringer als die Feuerungsleistung P<\/span><\/em>gen,in<\/span>.<\/p>\n

Die Abgastemperatur eines nicht kondensierenden Kessels h\u00e4ngt stark von der eingestellten oder durch die Regelung ver\u00e4nderlichen Feuerungsleistung ab. Die Abgastemperatur steigt mit zunehmender Verschmutzung der W\u00e4rme\u00fcbertragungsfl\u00e4chen an.<\/p>\n

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad<\/span><\/p>\n

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung auf den Kessel \u00fcbertragen wird. Er h\u00e4ngt ab von der Abgastemperatur, dem Luftverh\u00e4ltnis und dem Brennstoff. Er wird von der amtlichen Feuerungskontrolle gemessen. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad nicht kondensierender<\/span> 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<\/span> ist dem Bild links des Taupunkts zu entnehmen. Da die amtliche Formel sich auf den Heizwert bezieht, ergeben sich im Kondensationsbetrieb Werte \u00fcber eins. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert ergibt sich nun:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

\u03b7<\/span>F,Hi<\/span> amtlicher, feuerungstechnischer Wirkungsgrad<\/a> (bez\u00fcglich Heizwert)<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 2.6 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad (bez\u00fcglich Heizwert) f\u00fcr Gas- und \u00d6lkondensationskessel [Koe]<\/p>\n

Beispiel:
\n\u00d6lkessel mit Abgastemperatur 120 \u00b0C und <\/a>CO2<\/span>-Gehalt 9 %
\nGem\u00e4ss Bild 2.6 ist \u03b7<\/span>F,Hi<\/span> = 0,94.
\nDieser feuerungstechnische Wirkungsgrad ist gem\u00e4ss [LRV] zul\u00e4ssig (Grenzwert einstufige Brenner<\/a> 0,93).
\nDer feuerungstechnische Wirkungsgrad bez\u00fcglich Brennwert betr\u00e4gt \u03b7<\/span>F<\/span> = 0,94\/1,06 = 0,89.<\/p>\n

<\/a>Strahlungsverlust<\/span><\/p>\n

Der Verlust des Kessels an den Heizraum erfolgt durch Strahlung, Konvektion und Leitung (kurz Strah\u00adlungs\u00adver\u00adlust genannt). Er tritt w\u00e4hrend der ganzen Kes\u00adsel\u00adbe\u00adtriebs\u00addau\u00ader (Brennerstillstand und Bren\u00adner\u00adbe\u00adtrieb) auf. Der Strahlungsverlust h\u00e4ngt ab von Kesselgr\u00f6sse und Kesselisolation sowie der Kes\u00adsel\u00adwas\u00adsertem\u00adpe\u00adra\u00adtur. Die Strahlungsverlustleistung \u03a6<\/span>S<\/span> w\u00e4hrend des Brennerbetriebs ist etwa gleich gross wie die weiter unten beschriebene Bereitschaftsverlustleistung bei Brennerstillstand.<\/p>\n

Kesselwirkungsgrad<\/span><\/a><\/p>\n

Es wird nun die Energiestrombilanz <\/span>des Kessels bei Brennerbetrieb betrachtet (Bild 2.5). Die Kesselleistung <\/a>\u03a6<\/span>gen,out<\/span> ist um die Abgasverlustleistung \u03a6<\/span>A<\/span> und die Strahlungsverlustleistung \u03a6<\/span>S<\/span> geringer als die Feuerungsleistung P<\/span>gen,in<\/span>. Andererseits wird die Kesselleistung vom Heizwasser aufgenommen:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

<\/a>\u03a6<\/span>gen,out<\/span> Kesselleistung in kW
\nq<\/span>m,w<\/span> Massenstrom Heizwasser in kg\/s
\nc<\/span>w<\/span> spezifische W\u00e4rmekapazit\u00e4t Wasser<\/a>, 4,19 kJ\/kgK
\n\u03b8<\/span>V<\/span>, \u03b8<\/span>R<\/span> Vor- bzw. R\u00fccklauftemperatur Heizwasser in \u00b0C<\/p>\n

Der Kesselwirkungsgrad <\/span>gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung bei Brennerbetrieb an das Heiz\u00adwas\u00adser abgegeben wird:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Die Kes\u00adsel\u00adlei\u00ads\u00adtung wird meistens \u00fcber die Brennstoffzufuhr bedarfsabh\u00e4ngig geregelt. Der Kesselwirkungsgrad ist bei reduzierter Kesselleistung, infolge der tieferen Abgastemperatur, meist besser als bei Nennleistung.<\/p>\n

<\/a>Bereitschaftsverlust<\/span><\/p>\n

Auch ohne Nutzw\u00e4rmeabgabe hat der Kessel Verluste, solange die Kesseltemperatur \u00fcber der Umgebungstemperatur liegt. Die Ursachen dieses Verlusts in Bereitschaft sind:<\/p>\n