Heizkessel

In der DIN 4702, Teil 1, werden mehrere Kesselbauarten in Abhängigkeit von den zur Anwendung gelangenden Brennstoffen beschrieben, unter anderen z.B. auch der Brennwertkessel. Dieser erreicht ein Höchstmaß an Brennstoffausnutzung bei geringster Luftüberschusszahl und rußfreier Verbrennung.

Heizkessel unterscheidet man entsprechend des verwendeten Werkstoffs in Stahlheizkessel und Gußgliederkessel. Der Vorteil größerer Gliederkessel besteht darin, dass sie vor Ort montiert werden können.

Die o.g. Norm richtet sich grundsätzlich an die Kesselhersteller. Für den Facility Manager sind die anlagenspezifischen Betriebs- und Instandhaltungsvorschriften interessant. Für gasförmige und flüssige Brennstoffe kommt jedoch nur noch der Spezialkessel in Betracht.

Spezielle Gasheizkessel gibt es von einer Leistung ab 7 kW bis ca. 300 kW. Im unteren Leistungsbereich benutzt man Umlaufwasserheizer (Thermen) und Gas-Warmwasserspeicher von 4 bis ca. 30 kW. Heizkessel mit höherer Leistung werden sowohl mit Gas als auch mit Öl betrieben.

Der Gesamtwärmeinhalt eines Brennstoffes wird als Brennwert (Ho) bezeichnet. Bei den herkömmlichen Kesseln nutzt man nur die fühlbare Wärme, auch Heizwert Hu genannt. Weil Brennwertkessel aus nicht rostendem Stahl hergestellt werden, können Sie auch zusätzlich noch die im Wasserdampf der Abgase enthaltene Verdampfung (latente Wärme) nutzen. Auf diese Weise entsteht ein Kesselwirkungsgrad von mehr als 100 %, wenn man für dessen Berechnung einen Nicht-Brennwertkessel gegenüberstellt.

Erdgas besitzt einen latenten Heizwärmeanteil von 10 %, Öl hingegen nur 6 %. Die Verdampfungswärme kann aber nur genutzt werden, wenn dafür gesorgt wird, dass eine Kondensation des Wasserdampfes im Abgas erfolgt. Brennwertkessel sollten deshalb grundsätzlich eine Temperaturspreizung 70°C/ 50 °C oder eine noch niedrigere Rücklauftemperatur haben. Die im Abgas vorhandenen Stoffe Schwefeldioxid und Stickoxide ergeben ein leicht saures Kondensat.

Die Abgasanlage, Brennkammer und Nachschaltheizflächen müssen deshalb aus korrosionsbeständigem Material bestehen. Das anfallende saure Kondensat muss in der Regel bei Leistungen über 25 kW vor der Einleitung in die öffentliche Kanalisation neutralisiert werden. Gegebenenfalls müssen die örtlichen Abwasserbestimmungen beachtet werden.

Der Brenner ist das Herzstück einer Wärmeerzeugungsanlage. Er ist so konstruiert, dass er entsprechend der gegebenen Verhältnisse einen möglichst hohen Feuerungswirkungsgrad hat ermöglicht. Dem Brenner sind folgende Armaturen vorgeschaltet, unabhängig davon

• Thermische Absperrvorrichtung

• Gasfilter

• Gasdruckregler

• Gasdruckwächter, der die Aufgabe hat, bei zu niedrigem Gasdruck den Brenner abzu-schalten.

Die Aufgabe der Gasbrenner beschränkt sich im Gegensatz zu den Ölbrennern im Wesentlichen auf die Vermischung des Gases mit der Verbrennungsluft.

• Brenner ohne Gebläse (atmosphärische Gasbrenner)

• Brenner mit Gebläse.

Gasbrenner ohne Gebläse bilden meist mit der Armaturengruppe eine DIN/DVGW-geprüfte Kompakteinheit, besitzen eine Strömungssicherung und arbeiten nach dem Prinzip des Injektionsbrenners. Sie werden vorwiegend als Brennroste oder Flächenbrenner ausgeführt. Hierbei wird das Brenngas aus einem Gasverteilerrohr über Düsen in Mischrohre (Injektionsrohre) geleitet.

Als Folge der großen Brenngasgeschwindigkeit hinter den Düsen entsteht ein Unterdruck, durch den die Primärverbrennungsluft aus dem Raum angesaugt wird. Das sich bildende Gas-Luftgemisch gelangt anschließend in die Brennrohre, wo es durch geeignete Öffnungen auf der Oberseite austritt.

Atmosphärische Gasbrenner älterer Bauart zünden im Gegensatz zu den Gebläsebrennern bei kleineren Anlagen meist halbautomatisch. Dabei wird die Hauptflamme von einer Pilotflamme (Zündflamme) und diese von Hand gezündet. Bei neueren Bauarten erfolgt die Zündung direkt elektrisch und vollautomatisch. Atmosphärische Gasbrenner neuerer Bauart (Vormischbrenner) werden zum Teil auch mit horizontaler Flamme betrieben. Verschiedene Systeme haben flammenkühlende Einsätze, die den Stickoxidauswurf erheblich reduzieren.

Wenn es aus Liefergründen notwendig wird, auf eine andere Gasart umzustellen, ist meist der Wechsel der Düsen erforderlich. Die Leistungsanpassung von atmosphärischen Brennern durch Düsenänderung oder Änderung des Gasdruckes verschlechtert den Feuerungswirkungsgrad, wenn nicht auch die Luftmenge automatisch angepasst wird. Eine Leistungsanpassung sollte nur durch intermittierenden Betrieb (Ein/Ausschaltbetrieb) oder durch Mehrkesselanlagen erfolgen.

Gaskesselanlagen ohne Gebläsebrenner verfügen häufig über eine zusätzliche Verbrennungsluftklappe, die das Verhältnis zwischen Gas und Verbrennungsluft automatisch optimiert.

Diese Kessel arbeiten dann auch im Teillastbereich mit gutem Wirkungsgrad.

• Baumusterprüfung mit DIN-, DVGW-, CE-Zeichen,

• Geräteschild (Fabrikat, Typ, Baujahr, Nennleistung min. und max.),

• Gasart und

• Gasdruck.

Zur Erzeugung eines optimalen Gas-Luftgemisches dienen spezielle Einbauten im Mischkopf.

Jede Mischeinrichtung besitzt Einbauten, die sich abhängig von der Gasart im Detail wesentlich voneinander unterscheiden können. Gezündet wird bei Gasgebläsebrennern vollautomatisch. Bei größeren Einheiten wird aber zuerst eine Zündflamme gezündet.

• Baumusterprüfung mit DIN-, DVGW-, CE-Zeichen,

• Geräteschild (Fabrikat, Typ, Baujahr, Nennleistung min. und max.),

• Gasart und

• Gasdruck.

Der regelbare Brenner passt sich optimal dem jeweils erforderlichen Wärmebedarf an. Er läuft mit Schwachlast an und regelt danach auf Volllast. Es wird immer nur so viel Brennstoff verbrannt, wie erforderlich ist. So wird eine möglichst lange Brennerlaufzeit erreicht.

Zweistoffbrenner haben die Eigenschaft, sowohl mit Gas, als auch mit Öl betrieben werden zu können. Zur Erreichung einer vollständigen Verbrennung ist in den meisten Fällen bei dem jeweiligen Brennstoff die Verbrennungsluftmenge speziell einzustellen.

• Einstufige Brenner,

• zweistufige Brenner,

• dreistufige Brenner oder als

• modulierende Brenner.

Ob mit Öl oder Gas gefeuert wird, hängt von der Verfügbarkeit bzw. dem jeweiligen Energiepreis ab. Beim Zweistoffbrenner sitzt die Brennerpumpe häufig in einem gesonderten Pumpenaggregat, das einen eigenen Motor besitzt. Wenn die Pumpe auf einer Welle mit dem Brennermotor verbunden ist, wird sie mithilfe einer Magnetgruppe geschaltet (Ölbetrieb: Kopplung ein; Gasbetrieb Kopplung aus). Bei mehrstufigen bzw. modulierenden Brennern ist die Verbrennungsluftzufuhr auf den jeweiligen Lastbereich abgestuft. Die Brenngasmengenzufuhr wird durch Klappen gesteuert, während die Heizölmenge mittels Ventil zugeführt wird. Beim Öldruckzerstäuber tritt das Heizöl axial aus.

Prinzip einer thermoelektrischen Zündsicherung

Die Sicherheitseinrichtungen haben die Aufgabe, die Anlage vor unkontrolliertem Gasaustritt bei Ausfall der Flamme und vor Verpuffungen zu schützen. Weiterhin gilt dieser Schutz einer Überhitzung des Kessels. Benutzt werden hierfür thermostatische Regler bzw. eine selbsttätige Überwachung der Flamme. Die selbsttätige Flammenüberwachung wird meist durch

einethermoelektrischeoderoptischeZündsicherung bzw. einen Ionisationsflammenwächterrealisiert.

Bei der thermoelektrischen Zündsicherung nutzt man den Effekt, dass zwei verschiedene sich berührende Metalle durch unterschiedliche Temperaturen an den Berührungsstellen elektrische Spannungen hervorrufen. Die unterschiedlichen Temperaturen können deshalb entstehen, weil die Konstruktion so angeordnet ist, dass sich die Lötstelle des Thermofühlers in der Flamme, die kalte Lötstelle sich aber außerhalb der Flamme befindet. Über eine Magnetspule ist der Stromkreis geschlossen. Die Ankerplatte steht über einen Stift zum Gasventil in Verbindung. Die Schließfeder liegt dazwischen. Diese Schließfeder gewährleistet, dass zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Brenners Gas ausschließlich entgegen der Federkraft strömen kann. Das erfolgt solange, bis die durch den Stromfluß der warmen Lötstelle erzeugte magnetische Kraft größer als die Federkraft wird.

Strömungssicherungen mit Funktionsbeispielen

Im umgekehrten Falle geht beim Verlöschen der Flamme die magnetische Kraft zurück. Die Gaszufuhr wird unterbrochen.

Bei einer anderen Methode, der Ionisationsflammüberwachung, werden Gasmoleküle aufgrund der hohen Flammentemperatur zu elektrischen Ladungsträgern. Dadurch bleibt während des Betriebszustandes infolge der elektrischen Leitfähigkeit des brennenden Luftgasgemisches der Stromkreis geschlossen. Regelmäßige Wartung ist hierbei besonders wichtig, denn Feuchtigkeit, Zunder oder auch elektrische Kurzschlüsse können Fehler hervorrufen, die dann das Brennen einer Flamme vortäuschen.

Bei Feuerstätten mit offener Verbrennung, sind Strömungssicherungen (sog. Zugunterbrecher) vorgeschrieben. Sie müssen bei allen Brennern, die ohne Gebläse arbeiten, vorhanden sein, um zu verhindern, dass die Verbrennung durch Stau oder Rückstrom bzw. Zugschwankungen beeinträchtigt werden kann.