IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 7/2003, Seite 32 ff.

Druckluftzerstäuber:

Ölbrenner im kleinen Leistungsbereich

Dipl.-Ing. Rüdiger Rebbe*

Druckluftzerstäuberbrenner bieten sich als Lösung für neue und bestehende Heizungsanlagen überall dort an, wo konventionelle Ölbrenner (so genannte Druckzerstäuber) mit kleiner Leistung nicht betriebssicher betrieben werden können bzw. der Heizkessel zu groß ist. Über die Wirkungsweise dieser innovativen Verbrennungstechnologie informiert der nachfolgende Beitrag.

Ölbrenner werden heute aufgrund der sicheren Betriebsweise und des einfachen Aufbaus vorwiegend mit Druckzerstäuberdüsen betrieben. Vereinfacht ausgedrückt, wird Heizöl unter hohem Druck durch die Öldüse gepresst und in Rotation gebracht. Am Ausgang der Öldüse wird das Heizöl in einen Nebel kleinster Töpfchen zerstäubt, mit der Verbrennungsluft gemischt und anschließend verbrannt. Der Nachteil dieser Technik: Durch die Fertigungsmöglichkeiten (der Durchmesser des Düsenlochs ist nur etwa einen Zehntelmillimeter groß) und die Verschmutzungsgefahr der Düsen hat der Öldruckzerstäuberbrenner bei kleinen Leistungen (etwa 14 kW) seine Grenzen.

Neue Anforderungen an die Brennertechnik

Der stetig verbesserte Wärmeschutz von Ein- und Zweifamilienhäusern führt zu teilweise erheblich reduziertem Heizwärmebedarf. Gebäude, die nach der Wärmeschutzverordnung WSchV 1995 errichtet worden sind, halten einen spezifischen Wärmebedarf von 50-80 kWh/(m²a) ein. Ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 100 m² benötigt somit zur Deckung des Heizwärmebedarfes nur noch eine Kesselleistung von etwa 5 bis 8 kW. Ältere Gebäude erreichen nach erfolgter Wärmedämmung der Außenwände und des Dachbodens und durch den Einbau von entsprechender Wärmeschutzverglasung ähnlich gute Werte.

Gasbrennwertkessel im Nennleistungsbereich von etwa 10 kW sind in der Lage, diesen geringen Heizwärmebedarf bedarfsabhängig zu decken. Einige moderne wandhängende Ölkessel stehen den Vorteilen der Gaskessel im Hinblick auf den Platzbedarf um nichts nach. Die betriebssicher realisierbaren minimalen Kesselleistungen liegen jedoch häufig deutlich oberhalb von 10 kW. Mit Hilfe von elektronischen Feuerungsautomaten, drehzahlgesteuerten Gebläsen und separaten Ölpumpenmotoren ist es aber möglich, zweistufig Wärme zu erzeugen. Heizkessel, deren Brenner genauestens auf die Konstruktionsmerkmale ihrer Wärmeaustauscher abgestimmt sein müssen, werden in der Regel in Großlast gestartet und nach einer definierten Brennerlaufzeit auf Kleinlast zurückgefahren. Nachteil der Technik: Das Startverhalten sowie die relativen hohen Leistungen im Kleinlastbetrieb führen bei den platzsparenden und damit geringvolumigen Wärmeerzeugern zum Takten, dem häufigen Ein- und Ausschalten des Brenners. Außerdem werden die Heizflächen der kleinen Wärmeerzeuger prozentual stärker mit Verbrennungsrückständen beaufschlagt als die großzügiger bemessenen Heizflächen eines Standardwärmeerzeugers.

Es ist nun die Frage zu beantworten, in welchen Anlagentypen Wärmeerzeuger mit reduzierten Brennerleistungen sinnvoll betrieben werden können. Wie schon einleitend erwähnt, sicherlich die Anlagen in Neubauten. Keinen Sinn macht die Reduzierung der Feuerungsleistung eines überdimensionierten Konstanttemperaturkessels, deren Nutzungsgrade bauartbedingt bei geringen Leistungen schlechter werden. Ein interessantes Potenzial stellen die Heizungsanlagen dar, die vor etwa 10 bis 15 Jahren errichtet bzw. modernisiert wurden. Heizkessel aus dieser Zeit sind keine alten Kessel, die schlecht sind. Es gab z.B. schon Vergaberichtlinien nach RAL-UZ 46. Die Kessel aus dieser Zeit wurden mit den gleichen Argumenten verkauft wie die heutigen: geringe Bereitschaftsverluste, hohe Nutzungsgrade, geringe Emissionen, witterungsgeführte Vorlauftemperaturen. Im Folgenden wird ein bewährtes und gänzlich überarbeitetes Ölbrennersystem beschrieben, das es ermöglicht, diese Wärmeerzeuger mit Feuerungsleistungen unter Verwendung aller handelsüblichen Heizölqualitäten deutlich unter der 10 kW-Grenze zu belasten.

Konventioneller Brenneraufbau

Wie ein konventioneller Ölbrenner setzt sich der Druckluftzerstäuberbrenner zusammen aus dem Brennergehäuse, dem Luftgebläse und der Ölpumpe. Der entscheidende Unterschied liegt in der Zerstäubung des Heizöls. Beim Druckluftzerstäuber wird das Heizöl, ähnlich wie die Flüssigkeit einer Spraydose, mit Druckluft zerstäubt. Nicht die kinetische Energie des Heizöls, sondern die kinetische Energie der Druckluft zerstäubt den Brennstoff. Ein Doppelmembranverdichter ist integriert in dem Brennermotor, der gleichzeitig auch die Ölpumpe und das Ventilatorrad für die Verbrennungsluftversorgung antreibt. Der Doppelmembranverdichter komprimiert die Zerstäubungsluft auf einen Druck von etwa 1,3 bar. Der Druck der Zerstäubungsluft kann über ein Ventil an der pneumatischen Steuereinheit in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,2 bar eingestellt werden. Aus Sicherheitsgründen wird mit einem Luftdruckwächter der Mindestdruck von 0,4 bar abgefragt, bevor ein Magnetventil öffnet und den Weg zur Druckluftzerstäuberdüse freigibt. Überschüssig geförderte Verdichterluft wird über das Überdruckventil abgeblasen. Grundsätzlich wirken sich höhere Zerstäubungsdrücke emissionsmindernd aus. Um ein optimales Startverhalten insbesondere bei kleinsten Leistungen gewährleisten zu können, sollte der Zerstäubungsdruck 0,8 bar nicht überschreiten.

Auswechseln der Brennerdüse entfällt

Der Brennstoff wird von der Ölpumpe über eine so genannte Volustatdrossel der Druckluftzerstäuberdüse zugeführt. Angeordnet ist sie zwischen den Magnetventilen und der Druckluftzerstäuberdüse. Diese Position wirkt sich positiv auf die Anfahremissionen aus. Die Volustatdrossel reduziert viskositätsabhängige Schwankungen der Fördermenge und baut den Öldruck auf das für die Druckluftzerstäuberdüse erforderliche Druckniveau ab. Eine Ölvorwärmung, wie in konventionellen Brennern üblich, wird nicht benötigt. Der Pumpendruck von etwa 4 bis 20 bar dient ausschließlich der Einstellung des gewünschten Öldurchsatzes und damit der Brennerleistung. Durch unterschiedliche Größen der Volustatdrossel lässt sich der Öldurchsatz werksseitig auf einen entsprechenden Leistungsbereich optimieren.

Innerhalb der Druckluftzerstäuberdüse befindet sich ein federbelasteter Schließkolben, der als Düsenabschlussventil arbeitet. Im Brennstillstand ist das Ventil geschlossen. Erst wenn Öldruck von 1,4 bis 1,8 bar anliegt, öffnet der Schließkolben und gibt den Weg zu den Druckluftkanälen und den Austrittsbohrungen frei. An den Kanten der Austrittsbohrungen wird das ausfließende Heizöl durch die Druckluft zerrissen. In der Druckluftzerstäuberdüse entsteht ein Öl/Luftgemisch. Über die großen Tangentialschlitze des Düsenkegels wird das Öl/Luftgemisch in Rotation gebracht und anschließend durch die Expansion beim Verlassen der Düse in feinste Tröpfchen zerrissen. Alle Tröpfchen haben die gleiche Größe und dadurch auch nahezu die gleiche Verdampfungszeit. Die Bohrung der Druckluftzerstäuberdüse verfügt über vergleichsweise riesige Querschnitte von 1,6 mm. Sie ist integraler Bestandteil des Brenners und braucht bei turnusmäßigen Wartungsarbeiten nicht ersetzt werden. Die Düse unterliegt keinen Verschleißerscheinungen. Eine Verstopfungsgefahr existiert nicht.

Druckluftzerstäuberbrenner GBD2000

Bei dem in Serie gefertigten Druckluftzerstäuberbrenner GBD2000 von Giersch werden zwei in Reihe geschaltete Ölmagnetventile eingesetzt. Dies ist durch die hochwirksame Zerstäubung des Heizöls begründet. Schon bei geringsten Leckraten eines Magnetventils würde ein verpuffungsfähiges Gemisch im Brennraum erzeugt. Um bei einem Brennerstart das Entzünden des Ölsprays durch hohe Temperaturen des Brennerrohrs und eine anschließende Verpuffung auszuschließen, wird ein Steuergerät verwendet, das beim Inbetriebsetzungsprogramm zunächst 15 Sekunden ohne Zündung vorbelüftet. Möglicherweise entzündungsfähige Gemische werden so aus dem Brennraum gefördert. Das digitale Steuergerät arbeitet durch den mikroprozessorgesteuerten Programmablauf mit äußerst stabilen Zeiten, unabhängig von Schwankungen der Netzspannung und der Umgebungstemperatur. Das eingebaute visuelle Informationssystem ermöglicht die lückenlose Überwachung des aktuellen Betriebszustandes und informiert auch über Ursachen einer Störabschaltung. Die jeweils letzte Fehlerursache wird im Steuergerät gespeichert und lässt sich sogar nach einem Spannungsabfall beim Wiedereinschalten des Brenners rekonstruieren. Die Meldungen werden über eine LED-Anzeige visuell wahrnehmbar mit einem Blink-Code dargestellt.

Das äußerst fein zerstäubte Heizöl wird mit der Verbrennungsluft vermischt, verdampft und in dem Brennerrohr verbrannt. Das keramische Brennerrohr ist als Injektor ausgebildet und erzeugt im Bereich der Flammenwurzel einen Unterdruck. Dadurch wird heißes Heizgas aus dem Feuerraum in den vorderen Bereich der Flamme zurückgesaugt. Dieses rezirkulierte Gas verdampft die kleinen Öltröpfchen in der Mischzone. Gleichzeitig verdünnt es als ausgebrannter Ballast den Sauerstoffanteil in der Hauptreaktionszone. Das homogene Brennstoff-Luftgemisch brennt blau in einer stark rotierenden Flamme im keramischen Brennerrohr. Der Werkstoff Keramik garantiert eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer und verfügt über eine pyrolytische Selbstreinigung der mit der Flamme in Berührung kommenden Bereiche des Brennerrohrs. Die Flamme wird mit einem Infra-Rot-Flackerdetektor (IRD) überwacht.

Absolut rußfreie Verbrennung

Der vollständige Ausbrand im Brennerrohr ermöglicht Emissionen unabhängig vom Wärmeerzeuger. Selbst bei überdimensionierten Heizkesseln wird der Brennstoff absolut rußfrei verbrannt. Anfahrruß wie bei konventionellen Ölbrennern nach dem Druckzerstäubungsprinzip gibt es nicht. Die Heizflächen bleiben lange sauber, der Wirkungsgrad hoch. Durch das homogene Brennstoff-/Luftgemisch und die zurückgeführten Abgase werden zudem niedrigste Emissionen erreicht. Brennerleistungen ab etwa 7 kW sind mit diesem Prinzip realisierbar. Ein besonderes Gewicht erhält dieses Konzept durch den optionalen zweistufigen Betrieb. So lässt sich z. B. in der ersten Brennstufe der Wärmebedarf des Gebäudes mit 7 kW decken und in der zweiten Stufe mit 18 kW eine komfortable Trinkwassererwärmung ermöglichen.

Weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an diesem Verbrennungssystem werden künftig die untere Leistungsgrenze weiter herabsetzen. Optimierungsmaßnahmen und neue vereinfachte Komponenten werden den heute bestehenden Preisunterschied zwischen konventionellen Ölbrennern und Druckluftzerstäubern deutlich reduzieren. Erste Versuchsergebnisse mit pflanzlichen Ölen sind ebenfalls vielversprechend.

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