IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 6/1997, Seite 72
HEIZUNGSTECHNIK
Stand der Brennertechnik bei Gas-Umlaufwasserheizern
Dr. Michael Jantzer*; Dr. Marcus Bienzle**; H. Thomas Frieling**
In den 90er Jahren haben sich die Verbrennungssysteme für Gasgeräte zur Heizung und Warmwasserbereitung rasant verändert. Auslöser für diese Entwicklung waren in deutschsprachigen Ländern nicht zuletzt kontinuierlich verschärfte Schadstoff-Grenzwerte (Bild 1), Umweltzeichen (z.B. RAL UZ 40) und regionale Förderprogramme. Mit der Verschärfung der Bundesimmissionsschutz-Verordnung (BImSchV) zum 1.11.1996 wurde sogar ein neuer technischer Standard gesetzt: Nur die Low-Nox-Verbrennungstechnik wird diesen Bestimmungen gerecht. Teilvormischende atmosphärische Brenner, die in den vergangenen Jahrzehnten das Bild in der Brennertechnik bestimmt haben, werden künftig nur noch vereinzelt für Gas-Spezialkessel eingesetzt.
Aber ein Low-Nox-Verbrennungssystem gleicht nicht dem anderen. Zwischen den einzelnen Systemen gibt es erhebliche Unterschiede. Mit dem Tempo, in dem die Bestimmungen für Abgaswerte in den vergangenen Jahren immer wieder verschärft wurden, konnten die Hersteller in den vergangenen Jahren teilweise nur schwer mithalten. Dies hat auch dazu geführt, daß nicht ausgereifte - und damit nur bedingt gebrauchstaugliche - Geräte auf den Markt gekommen sind. Viele Gerätehersteller und ihre Kunden mußten durch die nicht ausgereiften Techniken teures Lehrgeld bezahlen. Diese Erkenntnis zeigt jetzt auch bei den für die Bestimmungen Verantwortlichen Wirkung. So wurden für die Novellierung des RAL-Umwelt-Gütezeichens "Blauer Engel" zum 1. Januar 1998 für Gas-Umlaufwasserheizer keine verschärften Emissionsanforderungen festgelegt.
Bild 1: Entwicklung der Emissionsanforderungen an Gasumlauf- und Gaskombiwasserheizer in Deutschland. (Quelle: Bosch Thermotechnik)
Anforderungen an fortschrittliche Verbrennungssysteme
Fortschrittliche Low-Nox-Verbrennungssysteme zeichnen sich nicht nur durch niedrige Schadstoffwerte aus, sondern auch durch eine hohe Verbrennungsstabilität (kein Abheben bzw. Rückschlagen der Flammen) sowie einwandfreies Zünden und Überzünden. Das gilt auch bei wechselnden Gasqualitäten (z.B. durch die Mischung mit Flüssiggas/Luftgemischen in Spitzenlastzeiten), erhöhtem Kaminzug und wechselnden Umgebungs- bzw. Verbrennungslufttemperaturen.
Diese Anforderungen sind mindestens teilweise nur schwer miteinander in Einklang zu bringen. Bei vollvormischenden Brennern läßt sich das Verhältnis zwischen Gas und Luft exakt dosieren. Entscheidend dabei ist die primäre Luftzahl l, wobei l = 1 bedeutet, daß der tatsächliche Luftanteil im Gemisch genau dem Anteil entspricht, der für eine vollständige (stöchiometrische) Verbrennung nötig ist. Ist l > 1, herrscht also Luftüberschuß, entstehen bei der Verbrennung weniger NOx und CO2. Tendenziell läßt sich sagen, daß der Schadstoffanteil mit steigender Primärluftzahl abnimmt. Low-Nox-Systeme mit vollvormischenden Brennern arbeiten deshalb in der Regel mit einer Primärluftzahl von l > 1,1. Dies ist auch die Voraussetzung für eine hygienische Verbrennung (keine CHx-Emissionen und geringe CO-Bildung). Die hohe Luftzahl kann allerdings in Abhängigkeit von der Brennerbelastung und der Gaszusammensetzung zu einem starken Wandern der Flammenfront führen.
Bei großer Brennerleistung neigt die Flamme zum Abheben von der Brenneroberfläche, und bei kleiner Brennerleistung besteht die Gefahr einer Überhitzung der Brenneroberfläche oder eines Rückschlagens der Flamme in den Bereich der Mischzone. Dieser Effekt kann aber durch konstruktive Details des Brenners verhindert werden: Wassergekühlte Brenneroberflächen oder hochtemperaturfeste Materialien mit zusätzlicher Wärmeauskopplung durch Strahlung verbessern die Verbrennungsstabilität vollvormischender Systeme. Haltekanten für die Flammenfront verringern die Abhebeneigung der Flammen.
Zu den Forderungen an Abgaswerte und hohen Wirkungsgrad kommen noch eine ganze Reihe von Gesichtspunkten, die über die Gebrauchstauglichkeit der Geräte entscheiden:
- leiser Betrieb (vor allem beim Start und bei Gasartenschwankungen wichtig),
- einfache Inbetriebnahme durch den Installateur,
- hohe Servicefreundlichkeit bei Brennerreinigung (z.B. kein Öffnen des Wasserkreises bei Brennerausbau),
- geringe Verschmutzungsneigung und damit Reduktion des Wartungsaufwandes,
- kompakte Bauweise
Insbesondere für Kombi-Thermen mit integrierter Warmwasserbereitung ist der verfügbare Modulationsbereich, also die mögliche Spanne zwischen höchster und niedrigster Brennerleistung, ein wichtiges Qualitätsmerkmal, da sich daraus die minimale und maximale Wassermenge bei konstanter Nutztemperatur ableitet. Durch die hohen Anforderungen an den Wirkungsgrad bei Nennlast (Niedertemperaturtechnik) in der neuen Heizungsanlagenverordnung zum 1.1.1998 entscheidet nicht nur die Brennertechnik, sondern die gesamte Brennzellenauslegung über den verfügbaren Modulationsbereich. Die untere Grenze des Modulationsbereiches wird dabei durch die Kondensatbildung im Gerät und im Abgassystem vorgegeben. Brenner und Brennzelle müssen daher heute gemeinsam entwickelt und aufeinander abgestimmt werden.
Prinzipien der Emissionsminderung
Im Gegensatz zur Verbrennung von festen und flüssigen Brennstoffen fallen bei der Gasverbrennung nahezu ausschließlich Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) an. Da Brenngase aus der öffentlichen Gasversorgung keinen Stickstoff in gebundener Form enthalten, überwiegt bei Stickstoffoxiden die thermische NOx-Bildung. Dabei reagiert der mit der Verbrennungsluft zugeführte molekulare Stickstoff. Oberhalb von etwa 1200°C steigt dessen Anteil mit der Temperatur überproportional an.
CO entsteht als Zwischenprodukt bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen. Die Umsetzung von CO in das Endprodukt CO2 ist unter allen Verbrennungsreaktionen die langsamste und bestimmt damit die nötige Zeit für den vollständigen Ausbrand einer hygienischen Verbrennung.
CO2 wird grundsätzlich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe frei. Sein Anteil steigt mit dem Anteil der C-Atome (Kohlenstoff) im Brennstoff. Deshalb können die CO2-Emissionen nur durch einen geringeren Einsatz von Brennstoff - also durch Energieeinsparung und/oder Erhöhung des Wirkungsgrades - gesenkt werden. Vor diesem Hintergrund konzentrieren sich die Anstrengungen zur Emissionsminderung auf NOx und CO. Entscheidend sind die bei der Verbrennung entstehende Temperatur (NOx-Bildung) und die Luftzahl l (NOx- und CO-Bildung) des Verbrennungssystems.
Maßnahmen im Bereich der Gemischbildung
Durch die große Bedeutung der Primärluftzahl hängen Zusammensetzung und Ausmaß der Emissionen maßgeblich von der Gemischbildung ab. Allerdings gilt es auch hier, eine optimierte Balance zwischen gegenläufigen Zielen zu finden: Eine hohe Luftzahl ist zwar Voraussetzung für eine geringe NOx-Bildung, erhöht aber gleichzeitig tendenziell die CO-Emissionen und senkt den erreichbaren Wirkungsgrad. Um über die Gemischaufbereitung eine niedrige Verbrennungstemperatur (d.h. stabile Luftzahlen im Arbeitsbereich) zu erreichen, sind folgende Ansätze denkbar:
- externe Abgasrückführung,
- Wasser- und/oder Wasserdampfzugabe der Verbrennungsluft oder
- Kühlelemente im Mischbereich.
Mit der externen Abgasrückführung erhöht sich der Gesamtmassenstrom, was zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur führt. Der gleiche Effekt wird auch durch die Wasser- bzw. Wasserdampfzugabe aufgrund der erhöhten Verdampfungsenthalpie erreicht, wobei dieser Weg mit einer erhöhten Kondensationsneigung verbunden ist.
Kühlelemente im Mischbereich senken die Temperatur des Gas-Luft-Gemisches vor dem Eintritt in die Verbrennungszone und halten dessen Dichte nahezu konstant. Mit dieser Methode wird verhindert, daß sich die Vormischung durch die hohen Verbrennungstemperaturen allzusehr aufheizt, was sich negativ auf Vermischung und Homogenisierung des Brenngas-Luft-Gemischs im gesamten Arbeitsbereich auswirkt.
Die Auswahl von Brennfläche, Form, Struktur, Material und Kühlmechanismus (Wasserkühlung, Strahlungskühlung) eines Verbrennungssystems bestimmt die Lage und Form der Flamme und beeinflußt damit die entstehenden Temperaturen entscheidend. Hier wird zwischen Brennern mit teilabhebenden Flammen und Brennern mit Wärmeauskopplung unterschieden.
Maßnahmen in der Verbrennungszone
Durch Vergrößerung, also Auseinanderziehen der Verbrennungszone, läßt sich die Verbrennungstemperatur gezielt beeinflussen. Das kann durch gestufte Verbrennung (Luft- oder Brennstoffstufung) oder durch eine innere Abgasrückführung erfolgen. Dabei werden Verbrennungsgase durch Strömungslenkung und Wirbelausnutzung in den Randbereichen der Flamme wieder angesaugt (Ausnutzung von Verdrallung). Dies entspricht einer Inertgaszugabe, wodurch sich die mittlere Wärmekapazität in der Gasphase erhöht und die Temperatur sinkt. Beide Maßnahmen beeinflussen den Gesamtmassenstrom nicht.
Eine zweite mögliche Maßnahme ist der Einbau von Kühlelementen in der Verbrennungszone (Kühlstäbe oder Wasserführungen). Dies erfordert große Optimierungsanstrengungen, da die empfindlichen chemischen Gleichgewichte der Verbrennung gestört werden können und abhängig von der Brennerbelastung, also von der Flammenlage, Emissionssteigerungen möglich sind.
Die katalytische Beschichtung als weitere Möglichkeit setzt die erforderlichen Reaktionstemperaturen deutlich herab und führt - unabhängig von Primärluftzahl und Leistungsdichte - zu einer Beschleunigung der Reaktionsprozesse.
Die geschilderten Ansätze zur Emissionsminderung können auch kombiniert werden. Wesentlich ist, daß die Maßnahmen über einen möglichst weiten Modulationsbereich eines Brenners wirken. Es ist relativ einfach, jeweils nur CO- oder NOx-Emissionen zu senken. Damit ist aber wenig gewonnen, weil die Reduzierung des einen Stoffes oft mit einer höheren Emission des anderen erkauft wird. Um dies zu verhindern, bedarf es ausgefeilter Konzepte, die das Entstehen beider Stoffe minimieren und dabei auch noch die üblichen Randbedingungen eines Gasheizgerätes berücksichtigen.
Bekannte Low-Nox-Verbrennungstechniken
| Bild 2: Wassergekühlter, atmosphärischer Segmentbrenner. (Quelle: Polidoro) |
Ein Typ eines Low-Nox-Verbrennungssystems ist der wassergekühlte, atmosphärische, vollvormischende Brenner mit teilabhebenden Flammen (Bild 2). Je nach geforderter Leistung besteht der Brenner aus einer unterschiedlichen Zahl modularer Einzelelemente mit jeweils zwei senkrechten Doppelventurirohren. Der Brennstoff wird über eine separate Gasdüse je Venturirohr eingedüst. Als Brennerdeck dient ein Edelstahlblech mit Schlitzstruktur.
Niedrige Emissionswerte erreicht dieses Brennerprinzip durch eine gute Vormischung auf Grund des Prinzips der Vollvormischung und durch Kühlelemente (heizungswasserdurchströmte Kupferrohre) im Vormischbereich. Nachteilig ist die für einen Einsatz im Wohnbereich etwas zu hohe Geräuschbildung im Bereich der Gaseindüsung sowie der Verbrennungszone.
Gebläseunterstützter Keramikbrenner
| Bild 3: Gebläseunterstützter vollvormischender Keramik- |
Auch bei gebläsegestützten Keramikbrennern handelt es sich um vollvormischende Brenner mit teilabhebenden Flammen (Bild 3). Als Brennerdeck wird eine Keramikplatte mit Löchern verwendet, die im normalen Betriebsbereich nicht zu strahlen beginnt und so eine geringe Wärmeauskopplung aufweist. Die Eindüsung erfolgt über mehrere Gasdüsen in einen gemeinsamen Gemischraum nach dem Gebläse.
Die niedrigen Emissionswerte werden bei diesem Brennerprinzip erreicht durch eine sehr gute Vormischung des Gemisches und die geringe Wärmerückkopplung auf die Vormischung. Dieses Verbrennungsprinzip wird sowohl in konventionellen Heizthermen als auch in Brennwertgeräten eingesetzt.
Gebläseunterstützter Metallfolienbrenner
| Bild 4: Gebläseunterstützter vollvormischender Metallfolien- |
Metallfolienbrenner sind ebenfalls gebläseunterstützte vollvormischende Brenner mit teilabhebenden Flammen. Das Brennerdeck weist eine zylindrische (Thermomax-Brenner) oder eine eindimensional gekrümmte Form auf. Die in Bild 4 dargestellte Version verfügt über eine spezielle Lochstruktur als Brenneröffnung, die einen Gemischraum überspannt. Der Brenner hat eine hohe Leistungsdichte und glüht während des Betriebes insbesondere bei Kleinlast. Dadurch wird ein sehr großer Modulationsbereich erreicht. Die Eindüsung erfolgt über eine Zentraldüse vor dem Gebläse.
Die niedrigen Emissionswerte werden bei diesem Brennerprinzip erreicht durch die sehr gute Vormischung und die Flammkühlung durch die strahlende Brenneroberfläche. Ein derartiges Verbrennungssystem wird meistens mit einer Brennkammer aus Aluminium-Sandguß mit integriertem zapfenförmigen Wärmeübertrager kombiniert.
Katalytisch beschichteter Strahlungsbrenner
| Bild 5: Katalytisch be- |
Der Matrix-Brenner ist ein gebläseunterstützter Brenner (Bild 5). Das Gas-Luft-Gemisch wird über eine Mischschnecke, eine Dosierhalbkugel und ein Verteilerlochblech gleichmäßig der Reaktionsoberfläche zugeführt. Die gitterförmig ausgeprägte Oberfläche ist katalytisch beschichtet, was die Verbrennungstemperatur um rund 300 K senkt.
Für die niedrigen Emissionswerte dieses Systems sind drei Faktoren maßgeblich: die sehr gute Vormischung, die Auskopplung von Wärme durch Strahlung und die katalytisch beschichtete Oberfläche.
"ThermoStar" als neuer Ansatz für ein Low-Nox-Verbrennungssystem mit Wärmemanagement
| Bild 6: Aufbau eines wassergekühlten Lamellenbrenners. |
Die Praxiserfahrungen mit verschiedenen Low-Nox-Verbrennungssystemen wurden bei einem in Wernau ansässigen Hersteller für die Entwicklung eines neuen Brennersystems genutzt. Beim "ThermoStar"-System, das derzeit im Vorserienstatus umfangreiche Testserien durchläuft, kann die Verbrennungstemperatur mit Hilfe wassergekühlter Lamellen als Brenneroberfläche gezielt beeinflußt werden (Wärmemanagement).
Der wassergekühlte Lamellenbrenner besteht aus dem Brennerkragen, dem Brennerdeck mit Wärmemanagement durch gestuftes Lamellendeck, der Brennerwanne mit Mischkammern und dem Düsenstock (Bild 6).
Brennerwanne und Düsenstock können separat ausgebaut werden, ohne den Heizkreis zu entleeren. Dadurch ist eine Reinigung bzw. Wartung des wassergekühlten Brenners bei gefüllter Anlage möglich. Das Brennerdeck besteht aus einzelnen Lamellen (je zwei niedrige gepaart mit einer hohen), die jeweils auf vier Rohre aufgefädelt sind. Im Betrieb bilden sich auf den niedrigen Lamellen zwei Flammenfronten, die sich je nach Leistung unterschiedlich stark an die benachbarten hohen Lamellen anlegen. Die Oberkante der niedrigen Lamellen dient als Flammenhalterung für den Normalbetrieb, die Oberkante der hohen Lamellen hat die Funktion einer weiteren Haltekante bei Überlast. Durch unterschiedliche Kühlwassertemperaturen bzw. Heizwasserdurchflüsse im Lamellendeck kann die Verbrennungstemperatur gezielt beeinflußt werden.
Prinzipiell werden bei diesem Verbrennungssystem sowohl die aktive Flammenfußkühlung (niedrige Lamellen) als auch die direkte Flammenkühlung (hohe Lamellen) zur NOx-Reduzierung eingesetzt. Die kalten Lamellenflächen ermöglichen einen relativ großen Lamellenabstand und damit eine große Ausströmfläche ohne Rückschlaggefahr über einen großen Modulationsbereich für verschiedene Gasarten.
Durch die Kühlung der Flammen unmittelbar im Entstehungsbereich wird eine deutlich größere Wärmemenge aus dem Brenner ausgekoppelt als bei anderen wassergekühlten Systemen. Deshalb bringt es dieses System auch ohne gekühlte Brennkammern und ohne Kondensatbildung im Wärmezellenbereich auf einen hohen Wirkungsgrad. Die große offene Brennerfläche führt zu einer langsamen Gemischströmung an der Brenneroberfläche. Dadurch erhält man auch bei sehr großen Leistungen relativ kleine Flammen und kaum wahrnehmbare Flammengeräusche bei gleichzeitig geringen Druckverlusten in der Brenneroberfläche. Die langen einheitlichen Flammenfronten sorgen für ein sehr robustes Zündverhalten. Die verwendete Materialkombination von Kupferrohren und Edelstahllamellen hat sich als sehr zuverlässig erwiesen.
Kennzeichnend für die Brennerwanne sind die horizontalen Injektoren. Sie münden in einem gemeinsamen Raum und erreichen eine einheitliche Gemischverteilung unter dem gesamten Deck. Die geringe Zahl der Injektoren, ihr großer Durchmesser und die glatten gratfreien Strömungsflächen machen den robusten Charakter des Systems aus, was bei Einbau, Toleranzen und Verschmutzung erhebliche Vorteile bringt. Außerdem ist der Brenner sehr kompakt. Durch die hohe Funktionsintegration und den einfachen Aufbau kann die Wanne im kostengünstigen Druckguß-Verfahren produziert werden. Aufwendige Dichtungen oder Falzungen samt der damit verbundenen Probleme erübrigen sich.
Der Düsenstock als starre Gesamteinheit ermöglicht eine präzise Anordnung der Düsen zu den Injektoren, einen einfachen Ausbau zu Wartungszwecken und eine robuste Positionierung des Brenners im Gesamtgerät. Durch die geringe Zahl der Düsen und ihren relativ großen Durchmesser arbeitet der Düsenstock sehr geräuscharm.
Der neue Low-Nox-Brenner "ThermoStar" wird zunächst als atmosphärische vollvormischende Variante auf den Markt kommen. Prinzipiell eignet sich das Brennerdeck aber auch für den Einsatz als gebläseunterstützter Vormischbrenner. Eine katalytische Beschichtung der Lamellen kann die Emissionen weiter senken.
Künftig auf den Kundennutzen konzentrieren
Durch die gesetzlichen Rahmenbedingungen gefördert, hat sich die Technik der Verbrennungssysteme bei Gas-Umlaufwasserheizern in den 90er Jahren schnell und grundlegend verändert. Moderne Systeme nutzen die physikalischen und chemischen Randbedingungen der Gasverbrennung auf unterschiedliche Art und Weise zur Emissionsminderung. Die Praxiserfahrungen mit diesen Systemen können als Basis für weitere Verbesserungen dienen, wobei neben den günstigen Emissionswerten die Tauglichkeit für den täglichen Einsatz im Mittelpunkt steht. Dies wird in Zukunft noch deutlicher werden: Was Emissionen und Wirkungsgrad angeht, erreichen moderne Systeme schon heute chemisch-physikalische Grenzen. Zukünftige Entwicklungen müssen sich daher vor allem auf den Kundennutzen konzentrieren - und damit auf eine hohe Verbrennungsstabilität, ein niedriges Geräuschniveau bei gleichzeitig reduzierten Emissionen und einer einfachen Bedienung.
* Leiter Entwicklungskoordination und Vorausentwicklung, Bosch Thermotechnik
** Vorausentwicklung Verbrennungssysteme, Bosch Thermotechnik
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