IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 7/1999, Seite 36 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Wassergekühlte Brenner für Gas-Thermen
Aufbau - Funktion - Entwicklungsstand
Dr. Michael Jantzer, Dr. Marcus Bienzle, Markus Rotert*
Im Bereich der Niedertemperaturanwendung haben sich mit Inkrafttreten der ersten Bundesimmissionsschutz-Verordnung (1. BImSchV) Ende 1997 atmosphärische, wassergekühlte Verbrennungstechniken am deutschen Markt durchgesetzt.
Dies gilt in erster Linie für wandhängende Heiz- bzw. Kombi-Thermen. Noch zu Beginn der 90er Jahre konzentrierte sich die Entwicklung auf gebläseunterstützte Verbrennungssysteme bei der Brennertechnik für die häusliche Gasanwendung. Damals war die Ansicht weit verbreitet, daß nur mit dieser Technik die NOx-Emissionen nennenswert gesenkt werden können. Deshalb schien die Vorgabe des Umweltschutzzeichens RAL UZ 40 oder auch der 1. BImSchV die atmosphärische Verbrennungstechnik mittelfristig zu verdrängen. Die grundsätzlichen Systemvorteile atmosphärischer Brenner bezüglich Einfachheit und Robustheit wurden dabei häufig unterschätzt. Erst Mitte der 90er Jahre kam die Trendwende zu wassergekühlten atmosphärischen Brennern.
Die folgenden Ausführungen geben einen Überblick über verschiedene atmosphärische Brennertechniken, die heute eingesetzt werden. Am Beispiel des neuen ThermoStar-Lamellenbrenners von Bosch Thermotechnik/Junkers werden Möglichkeiten und Grenzen der atmosphärischen, wassergekühlten Brenner aufgezeigt. Durch die Mithilfe wissenschaftlicher Institute und die Nutzung von simulationsbasierten Auslegungshilfen wurden mit diesem Verbrennungssystem die technischen Grenzen der Wasserkühlung voll ausgeschöpft.
Atmosphärische Verbrennungssysteme
Atmosphärische Brenner sind durch den drucklosen (atmosphärischen) Zustrom von Verbrennungsluft gekennzeichnet. Dabei wird der Eigenimpuls des Gasstrahls zur Bildung des Gas-Luft-Gemisches genutzt. Diese Brenner wurden in den vergangenen Jahren erheblich weiterentwickelt. Im Vordergrund standen die gezielte Flammenkühlung und eine optimale Gemischaufbereitung.
Herkömmliche atmosphärische Brenner erreichen über ein Injektor-Venturi-System relativ niedrige Primärluftzahlen (n1 < 0,6). Der Rest der zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luft wird als Sekundärluft im Bereich des Ausbrandes zugeführt. Bei neueren Entwicklungen zeichnet sich der Wechsel von teilvormischenden Systemen zur Vollvormischung ab d.h., die gesamte zur Verbrennung benötigte Luftmenge wird vor der Verbrennung vermischt. Dies bewirkt niedrigere Flammentemperaturen und reduziert die NOx-Werte wirkungsvoller als die früher eingesetzten Kühlstäbe. Einen erheblichen Beitrag zur Senkung der NOx-Emission leistet auch die Wasserkühlung von Brennzone und Gemischraum. Dadurch stabilisiert sich die Primärluftzahl über den gesamten Leistungsbereich des Brenners, und der Wärmeeintrag in die Brenneroberfläche - z.B. durch Rückstrahlung aus der Flammenzone - wird reduziert. Weiterhin bieten die Geometrie der Brenneraustrittsfläche und die Gestaltung der Ausbrandhöhe weitere Möglichkeiten, die Emissionen zu senken.
Brenner am Markt
| Bild 1: NOx-Emissionen atmosphärischer Brenner. |
Bild 1 zeigt die Emissionswerte, die mit den verschiedenen heute bekannten atmosphärischen Brennertechniken erreicht werden. Diese Brenner sind charakterisiert durch teilvormischende Technik mit und ohne Kühlstäbe oder - bei modernen vollvormischenden Systemen - mit Wasserkühlung.
Bild 2: Teilvormischender Allgasbrenner. (Quelle: Bosch Thermotechnik/ Junkers) |
Bild 2 zeigt den Junkers-Allgasbrenner. Dieser Brenner zeichnet sich durch die horizontale Mischrohranordnung, die niedrige Bauhöhe und den teilvormischenden Betrieb aus. Die Austrittsfläche ist als Reihenanordnung von Schlitzen mit brennseitigen Ausstellungen als Flammenhalter gestaltet. Durch enge Ein- und Austrittsquerschnitte dieser Brennertypen entstehen Strömungsgeräusche, die häufig durch zusätzliche Dämmaßnahmen kompensiert werden.
Die vollvormischende wassergekühlte Brennertechnik wird nachfolgend an zwei unterschiedlichen Ausführungen gezeigt. Gemeinsam ist den Konzepten, daß Flammenkühlung, Gemischstabilität im Modulationsbereich und homogene Gemischaufbereitung die Basis für die niedrigen Emissionswerte sind. Bild 3 zeigt den ersten in Serie gefertigten wassergekühlten Brenner für Gas-Umlauf-Wasserheizer.
Bild 3: Allgasbrenner mit Kühlschlange in Verbrennungszone. (Quelle: Vaillant) |
Merkmal ist die mäanderförmig gewundene Rohrschlange, die in die nach innen geneigte Brennfläche eingeclipst wird. Die Schlitzstruktur der Brennfläche führt die Flamme nahe an die Wasserkühlung heran.
Bild 4: Wassergekühlter atmosphärischer Segmentbrenner. (Quelle: Polidoro) |
Der wassergekühlte atmosphärische Segmentbrenner (Bild 4) hat eine Wasserkühlung am Rande der Zone, in der das Brenngas-Luft-Gemisch geführt wird. Zusätzlich wird eine kleine Wärmemenge durch Wärmeleitung aus der ebenen, geschlitzten Brennfläche abgeführt.
Durch die große Zahl der Düsen und die relativ engen Querschnitte der Injektoren sowie die kleinen Austrittsflächen ist das Geräuschniveau bei den genannten Brennern vergleichbar mit dem der bekannten teilvormischenden Varianten. In puncto Verbrennungsstabilität müssen Brenner mit teilabhebendem Flammenbild aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten noch optimiert werden.
Der ThermoStar-Lamellenbrenner
Dieser Brenner (Bild 5) weicht von vorgenannten Konstruktionen ab. Mischrohre mit großem Querschnitt leiten hier das Brenngas-Luft-Gemisch in einen Gemischraum. Dieser versorgt die darüberliegende Brennerplatte. Sie besteht aus einzelnen Paketen von Edelstahllamellen (je zwei niedrige und eine hohe), die auf Kupferrohre gelötet sind. Im Betrieb sitzen die Flammen hauptsächlich auf den niedrigen Lamellen und legen sich an die gekühlten hohen Lamellen an. Dadurch werden sowohl der Flammenfuß als auch die -front gekühlt und so die NOx-Werte reduziert.
Die großen Düsen- und Mischrohrdurchmesser sowie die große freie Austrittsfläche halten die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig und sorgen für eine gleichmäßige, nahezu eindimensionale Flammenfront. Dadurch erreicht der Brenner eine leise Verbrennung.
| Bild 5: ThermoStar-Lamellenbrenner. (Quelle: Bosch Thermotechnik/ Junkers) |
Betriebsweise verschiedener Brenner
Bild 6 zeigt die Strömungs- und Flammengeschwindigkeit von Methan über der Primärluftzahl. Die absoluten Gemischgeschwindigkeiten verschiedener Brenner liegen oberhalb der Flammengeschwindigkeit (Die Normalkomponente der Gemischgeschwindigkeit am Flammenkegel ist gleich der Flammenkegelgeschwindigkeit). Dies gilt für herkömmliche teil- und vollvormischende Brennertypen. Eine Ausnahme ist der Lamellenbrenner: Sein Arbeitsbereich bewegt sich im überstöchiometrischen Teil des Diagramms nahezu vollständig unterhalb der Flammengeschwindigkeit, ähnlich dem eines gebläsegestützten Flächenbrenners. Charakteristisch für einen atmosphärischen Brenner mit diesem Arbeitsbereich sind die niedrigen spezifischen Flächenbelastungen, die kleinen Strömungsgeschwindigkeiten und die Rückschlagsicherheit, die hier über die Struktur der Austrittsfläche gewährleistet sein muß. Diese Struktur wird in Form der wassergekühlten Lamellen gebildet, die eine Rückzündung in den Gas-Luft-Gemischraum durch ein gezieltes Wärmemanagement wirkungsvoll verhindert.
| Bild 6: Arbeitsbereiche verschiedener Brennersysteme. |
Werkzeuge zur Brennerentwicklung am Beispiel ThermoStar
Simulation der Gemischbildung
Ziel der Entwicklung war es, durch Simulation der Gemischbildung die konstruktive Gestaltung und Dimensionierung des Injektorsystems zu systematisieren und die Verbrennungsstabilität gezielt zu erhöhen. Schon vor der ersten Musterphase wurden die strömungstechnischen Vorgänge optimiert. Dazu wurden am Gas-Wärme-Institut e.V. in Essen die Detailvorgänge des isothermen* Strömungs- und Mischprozesses mit Hilfe von Computer-Simulationen errechnet und grafisch dargestellt.
Der Rückgriff auf geometrische und physikalische Symmetrien vereinfachte dabei die Erstellung eines Rechenmodells. Mit Hilfe dieser Berechnungen konnten die wichtigsten funktionalen Anforderungen, die für einen effektiven Low-NOx-Brenner notwendig sind, nachgebildet werden. Die Strömungssimulation bietet die Möglichkeit, auf Basis eines bestehenden Modells die Randbedingungen wie z.B. Belastung oder Gaszusammensetzung zu variieren. Dadurch können Änderungen der Primärluftzahl, die durch einen Wechsel des Brenngases entstehen, gezeigt werden. Diese geben letztendlich einen Aufschluß über die Verbrennungsstabilität.
Einer der elementarsten geometrischen Parameter, welche die absolute Baugröße von atmosphärischen Brennern festlegen, ist die Mischrohrlänge. Aus diesem Grund ist eine genaue Ermittlung der notwendigen Mischlänge besonders wichtig. Diese Länge ist erreicht, wenn die Brenngas-Luft-Mischung über den gesamten Mischrohrquerschnitt homogen und somit abgeschlossen ist (Bild 7). Unter dieser Voraussetzung und der Randbedingung, möglichst mit einer geringen Anzahl von Mischrohren auszukommen, entspricht die notwendige Mischrohrlänge des Lamellenbrenners dem 3,2fachen des Mischrohrdurchmessers. Dieser liegt deutlich unter dem in der Literatur angegebenen sechs bis achtfachen Durchmesser.
* Isotherm: gleiche Temperatur habend.
| Bild 7: Brenngas-Luft-Gemisch- bildung in einem der Mischrohre. |
Emissionsoptimierung
Die regelmäßige Struktur der durch Lamellen gebildeten Brenneroberfläche und die kleinen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einer annähernd laminaren Strömung in der Verbrennungszone. So war es möglich, mit Hilfe von Hochleistungsrechnern die Verbrennungsvorgänge von laminaren Vormischflammen nachzubilden mit dem Ziel, durch Veränderungen des Lamellenblockes die Emissionswerte des wassergekühlten Brenners, insbesondere die CO-Emissionen, zu optimieren.
Vor dem Hintergrund der 1 BImSchV ist die Betrachtung der Stickoxidbildung von besonderer Bedeutung. Das thermische NO oder Zeldovich-NO entsteht durch die Elementarreaktionen:
O + N2 -> NO + N (1)
N + O2 -> NO + O (2)
N + OH -> NO + H (3)
Die Reaktionen (1) und (2) sind der wichtigste Bestandteil im reduzierten Reaktionsmechanismus mit insgesamt 88 Speciesgleichungen. Sie ermöglichen gegenüber einem detaillierten Mechanismus (beinhaltet mehr als 600 Reaktionsgleichungen) eine mehrdimensionale Betrachtung der komplexen Verbrennungsvorgänge.
Die Ermittlung des prompten NO, auch Feminore NO genannt, wurde ebenfalls mit Hilfe einer Computer-Simulation aufgezeigt. Promptes NO ist nahezu unabhängig von der Struktur der Brenneroberfläche, da es hauptsächlich in der Reaktionszone gebildet wird und deshalb nicht in die Strömungsmodellierung einbezogen werden muß.
| Bild 8: Zusammensetzung der NO-Emissionen beim Lamellenbrenner. |
Ein Vergleich der verschiedenen Anteile am gesamten NO zeigt, daß das prompte NO deutlich überwiegt (Bild 8). Daraus ist erkennbar, daß eine weitere erhebliche Reduzierung von NO mit Methoden der Temperaturabsenkung (z.B. Luftzahlerhöhung, Wasserkühlung) nicht möglich ist. Dagegen sprechen auch die Modulation und die CO-Emissionen eines Brennersystems. Die erreichte physikalische Grenze der Emissionsminderung kann also nur durch den Einsatz neuer Verbrennungstechniken wie zum Beispiel einer katalytisch unterstützten Verbrennung bei atmosphärischen Injektorbrennern unterschritten werden.
Zusammenfassung und Ausblick
Die physikalisch-theoretische Vorgehensweise bei Konzeption und Entwicklung des ThermoStar-Lamellenbrenners macht deutlich, daß hier ein Optimum der atmosphärischen wassergekühlten Verbrennungstechnik erreicht wurde. NOx-Emissionen unterhalb 40 mg/kWh bei hoher Verbrennungsstabilität sind erreichbar und stellen gleichzeitig die Untergrenze in der Anwendung von Gas-Umlaufwasserheizern dar.
Künftig sollte der Kundennutzen stärker in den Vordergrund gerückt werden. Das bedeutet weiteren Verbesserungsbedarf bei Stabilität, Service und Geräuschbildung, letzteres besonders im Hinblick auf Etagenwohnungen. Bei den Emissionen haben alle großen Hersteller annähernd gleichgezogen. Der hier vorgestellte Lamellenbrenner hat jedoch gute Voraussetzungen, auch in Sachen Kundennutzen eine bedeutende Position in der Niedertemperaturtechnik einzunehmen.
* Dr. Michael Jantzer, Dr. Marcus Bienzle und Markus Rotert sind Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Geschäftsbereich Thermotechnik, Wernau.
L i t e r a t u r :
[1] Berg, H./Jannemann, T.: Entwicklung eines schadstoffarmen Vormischbrenners für den Einsatz in Haushalts-Gasheizkesseln mit zylindrischer Brennkammer. Gaswärme International 38 (1989), Heft 1, S. 28ff.
[2] Jannemann, T.: Die Zukunft des atmosphärischen Verbrennungsprinzips. Wärmetechnik 4 (1994), S. 190ff.
[3] VDI Berichte 1205: Brenner in der Heizungstechnik. Tagung Dresden vom 28. - 30. September 1995.
[4] Jantzer, M./Bienzle, M./ Frieling, T.: Zum Stand der Brennertechnik bei Gas-Umlaufwasserheizern.
gwf Gas/Erdgas 138 (1997), Nr. 11, S. 627ff.
[5] Hüppelshäuser, H./ Nitschke-Kowsky, P.: Einfluß unterschiedlicher Gasbeschaffenheiten auf das Brennverhalten emissionsarmer atmosphärischer Brenner unter Praxisbedingungen. gwf Gas/Erdgas 136 (1995), S. 517ff.
[6] Rao, N.S./Kremer, H.: Injektoren für gas- und dampfförmige Medien. Essen, Vulkanverlag 1970.
[7] Frieling, T./Zoller, G.: Interner Bericht. Thermotechnik News, November 1997, S. 16ff.
[8] Riedel U./Schmidt D./Maas U., Warnatz F.: Laminar flame calculations based on automatcally simplified chemical kinetics. Proc. Eurotherm Semiar # 35, Compact Fired Heating System, Leuven, Belgium (1994).
[9] Ruy C./ Kremer H.: Modellierung der Schadstoffbildung bei voll-vormischenden Flächenbrennern mit einem experimentell verifizierten, praxisorientierten reaktionskinetischen Berechnungsverfahren, AiF-Schlußbericht, Projekt Nr. 9834, Gaswärme-Institut Essen, 1996.
[10] Interview mit H. J. Leydecker (Bosch Thermotechnik/Junkers) in RAS International 7 (1998), S. 59ff.
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