Gasinstallation

in Wohngebäuden

Prof. Dr.-Ing. Rudolf Rawe Teil 41

8. Abgasanlagen (Fortsetzung)

8.8.3 Nebenluftbeimischung über Strömungssicherungen

Nebenluft kann nicht nur über Vorrichtungen nach DIN 4795, sondern bei atmosphärischen Gasfeuerstätten auch über die Öffnung der Strömungssicherung dem Abgas beigemischt werden. Wenn man die Durchfeuchtungsgefahr mit Hilfe der DIN 4705 rechnerisch erfassen will, ist es jedoch schwierig, die über die Strömungssicherung eintretende Nebenluft entsprechend zu berücksichtigen. Zur Berechnung werden Kennlinien benötigt, die in der Regel nicht verfügbar sind. Deshalb wurde an der Fachhochschule Gelsenkirchen ein Prüfstand errichtet, mit dem die Nebenluft als Funktion des Förderdruckes ermittelt werden kann. Bild1 zeigt schematisch den Aufbau des Prüfstands.

Bild 1: Aufbau des Prüfstandes.

Die Untersuchungen wurden an verschiedenen Gas-Spezialheizkesseln sowohl bei Betrieb als auch in Bereitschaft durchgeführt, mit unterschiedlichen Belastungen und Kesselwassertemperaturen. Die Ergebnisse sind in Kennlinien dargestellt worden. Sie belegen, daß sowohl über den Kesselkörper (Primär- und Sekundärluft) als auch über die Öffnung der Strömungssicherung (Tertiärluft) Nebenluft angesaugt wird. Die einströmenden Luftmengen nehmen mit steigendem Förderdruck unterschiedlich zu; der Anteil der Tertiärluft überwiegt.

Bild 2 stellt beispielhaft für einen Kessel bei verschiedenen Betriebszuständen die Nebenluftmenge dar, die in Abhängigkeit vom Förderdruck durch den Kessel bzw. durch die Strömungssicherung angesaugt wird.

Wenn der Brenner in Betrieb ist, sind die Volumenströme nicht von der Kesselwassertemperatur abhängig, da die Durchströmung vom Auftrieb der wesentlich heißeren Verbrennungsgase bestimmt wird. Wie Bild 2 zeigt, entspringt die Strömungssicherungskennlinie nahezu im Koordinatenursprung, da bei einem Förderdruck von 0 Pa - abgesehen von der Injektorwirkung des Abgasstromes - keine nennenswerte Einströmung erfolgt. Die Kesselkennlinie zeigt dagegen bei 0 Pa eine auftriebsbedingte Grunddurchströmung.

Bild 2: Nebenluft-Volumenströme eines Kessels in Abhängigkeit vom Förderdruck bei verschiedenen Belastungen und Kesselwassertemperaturen.

Auch bei ausgeschaltetem Brenner wird Nebenluft über den Kesselkörper und über die Öffnung der Strömungssicherung angesaugt. Ihr Verhältnis bestimmt unter anderem die Höhe der Betriebsbereitschaftsverluste.

Nebenluft wird bei überschüssigem Förderdruck sowohl über den Kessel als auch über die Öffnung der Strömungssicherung angesaugt und erhöht die planmäßige Abgasmenge. Trägt man das Verhältnis von Nebenluft-Massenstrom zu Mindest-Abgasmassenstrom über die Differenz zwischen tatsächlichem und notwendigem Förderdruck auf, so erhält man die Nebenluft-Kennlinie eines Kessels. Wie die Untersuchungsergebnisse belegen, weist jeder Kessel eine Kennlinie auf. Ist sie bekannt, kann die in Abhängigkeit vom Förderdruck eintretende Abgasverdünnung durch Nebenluft berechnet werden.

Einzelwiderstandszahl der Strömungssicherung

Um die aufwendige meßtechnische Ermittlung der Kennlinie zu umgehen, suchte man einen strömungstechnischen Parameter, der aus vorhandenen Daten wie Kesselabmessungen, Herstellerangaben usw. ableitbar ist. Dazu bot sich die Betrachtung der Strömungssicherung als Einzelwiderstand an.

Geht man von der Beziehung für den Druckverlust durch Einzelwiderstände aus:

so kann die auf den Strömungszustand am Abgasstutzen bezogene Einzelwiderstandszahl der Strömungssicherung x_Sts wie folgt bestimmt werden:

Die so errechneten Einzelwiderstandszahlen werden als Funktion des Förderdruckes in Bild 3 beispielhaft für zwei Kessel (4 und 6) dargestellt. Die Ergebnisse lassen erkennen, daß sich kesselspezifische, vom Förderdruck unabhängige x_Sts-Werte einstellen. Ihre Werte liegen im Bereich von 1,5 bis 3,0.

Erwartungsgemäß sind die x_Sts-Werte bei eingeschaltetem Brenner nicht von der Kesselwandtemperatur abhängig, da Druckverlust und Auftrieb von der wesentlich höheren Verbrennungstemperatur bestimmt werden.

Kennt man die x_Sts-Werte, eröffnet sich die Möglichkeit, die in Abhängigkeit vom Förderdruck angesaugte Nebenluftmenge zu berechnen. Da die x_Sts-Werte unabhängig vom Förderdruck sind, reicht im Prinzip eine einzige Messung von Förderdruck und Abgasmassenstrom aus, um die Einzelwiderstandszahl zu bestimmen.

Bild 3: Experimentell ermittelte Einzelwiderstandszahlen von zwei Kesseln und entsprechende Werte aus den Herstellerangaben.

Es liegt nahe, anstelle der Messung von Förderdruck und Abgasmassenstrom auf die Herstellerangaben (Wertetripel aus Abgastemperatur, -massenstrom und Förderdruck) zurückzugreifen. Die so berechneten x_Sts-Werte sind in Bild 3 als vom Förderdruck unabhängige Konstante eingezeichnet. Man erkennt die gute Übereinstimmung zwischen den experimentell und den aus Herstellerunterlagen ermittelten Werten. Dieser Zusammenhang hat sich bei der Auswertung von Messungen an weiteren Wärmeerzeugern weitgehend bestätigt. Damit eröffnet sich eine einfache Möglichkeit, den Anteil der Nebenluft ausschließlich anhand der leicht zugänglichen Herstellerangaben zu bestimmen. (Fortsetzung folgt)

B i l d e r : Information Erdgas, Essen

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