Heizkessel

Die DIN 4702, Teil 1, beschreibt verschiedene Kesselbauarten abhängig von den verwendeten Brennstoffen, darunter auch den Brennwertkessel. Dieser erzielt eine maximale Brennstoffausnutzung bei minimalem Luftüberschuss und verbrennt ohne Rußbildung.

Heizkessel werden je nach verwendetem Material in Stahlheizkessel und Gußgliederkessel unterschieden. Größere Gliederkessel können vor Ort montiert werden, was ein Vorteil ist.

Die genannte Norm richtet sich hauptsächlich an Kesselhersteller. Für Facility Manager sind die anlagenspezifischen Betriebs- und Instandhaltungsvorschriften von Interesse. Für gasförmige und flüssige Brennstoffe kommt jedoch nur der Spezialkessel in Frage.

Gasheizkessel mit speziellen Eigenschaften sind in Leistungsbereichen von 7 kW bis etwa 300 kW verfügbar. Im unteren Leistungsbereich werden Umlaufwasserheizer (Thermen) und Gas-Warmwasserspeicher mit Leistungen von 4 bis etwa 30 kW eingesetzt. Heizkessel mit höherer Leistung können sowohl mit Gas als auch mit Öl betrieben werden.

Der Gesamtwärmeinhalt eines Brennstoffs wird als Brennwert (Ho) bezeichnet. Herkömmliche Kessel nutzen nur die fühlbare Wärme, auch Heizwert Hu genannt. Brennwertkessel aus nichtrostendem Stahl können zusätzlich die im Wasserdampf der Abgase enthaltene Verdampfungswärme (latente Wärme) nutzen. Dadurch ergibt sich ein Kesselwirkungsgrad von über 100 % im Vergleich zu Nicht-Brennwertkesseln.

Erdgas besitzt einen latenten Heizwärmeanteil von 10 %, während Öl nur 6 % aufweist. Die Nutzung der Verdampfungswärme erfordert eine Kondensation des Wasserdampfs im Abgas. Daher sollten Brennwertkessel grundsätzlich eine niedrige Temperaturspreizung von 70 °C Vorlauf und 50 °C Rücklauf oder noch niedriger aufweisen. Die im Abgas vorhandenen Stoffe wie Schwefeldioxid und Stickoxide erzeugen ein leicht saures Kondensat.

Um der Korrosion vorzubeugen, müssen Abgasanlage, Brennkammer und Nachschaltheizflächen aus korrosionsbeständigem Material bestehen. Das saure Kondensat muss in der Regel bei Leistungen über 25 kW vor der Einleitung in die öffentliche Kanalisation neutralisiert werden. Dabei sind die örtlichen Abwasserbestimmungen zu beachten.

Der Brenner bildet das Herzstück einer Wärmeerzeugungsanlage. Er ist so konzipiert, dass er unter den gegebenen Bedingungen einen bestmöglichen Feuerungswirkungsgrad erreicht.

• Thermische Absperrvorrichtung

• Gasfilter

• Gasdruckregler

• Gasdruckwächter, der die Aufgabe hat, bei zu niedrigem Gasdruck den Brenner abzuschalten.

• 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.

Spezielle Vorrichtungen im Mischkopf werden verwendet, um ein optimales Gemisch aus Gas und Luft zu erzeugen. Jede Mischeinrichtung enthält Bauteile, die je nach Art des Gases im Detail erheblich variieren können. Gasgebläsebrenner entzünden sich vollautomatisch.

• Einstufenbrenner (Ein/Ausbetrieb)

• Zweistufenbrenner (Stufe 1, Stufe 2, Ausbetrieb)

• stufenlos regelbare Brenner (modulierende Brenner)

Der anpassungsfähige Brenner passt sich optimal dem jeweiligen Wärmebedarf an, beginnt im Teillastbetrieb und reguliert dann auf Volllast. Es erfolgt lediglich die Verbrennung der benötigten Brennstoffmenge, was eine besonders ausgedehnte Brennerlaufzeit ermöglicht.

• Einstufige Brenner,

• zweistufige Brenner,

• dreistufige Brenner oder als

• modulierende Brenner.

Die Entscheidung, ob mit Öl oder Gas geheizt wird, hängt von der Verfügbarkeit und den aktuellen Energiepreisen ab. Bei Zweistoffbrennern befindet sich die Brennerpumpe oft in einem separaten Pumpenaggregat mit eigenem Motor. Wenn die Pumpe mit der Welle des Brennermotors verbunden ist, erfolgt die Steuerung über eine Magnetgruppe (für Ölbetrieb: Kopplung aktiviert; für Gasbetrieb: Kopplung deaktiviert). Bei mehrstufigen oder modulierenden Brennern wird die Zufuhr der Verbrennungsluft an den jeweiligen Lastbereich angepasst. Die Zufuhr der Brenngasmengen erfolgt über Klappensteuerung, während die Menge des Heizöls durch ein Ventil reguliert wird. Bei Öldruckzerstäubern tritt das Heizöl axial aus.

Sicherheit von Gasbrennern

Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Gasunfällen und Überhitzung.

Die Schutzeinrichtungen haben die Verantwortung, die Anlage vor unkontrolliertem Gasaustritt während eines Flammausfalls und vor Verpuffungen zu schützen. Ebenso dient dieser Schutz der Vermeidung einer Überhitzung des Kessels. Hierbei werden thermostatische Regulatoren oder eine automatische Flammenüberwachung eingesetzt. Die selbstregulierende Flammenüberwachung wird oft mithilfe einer thermoelektrischen oder optischen Zündsicherung oder eines Ionisationsflammenwächters realisiert.

Bei der thermoelektrischen Zündsicherung nutzt man den Effekt, dass bei Berührung von zwei verschiedenen Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen an den Berührungspunkten elektrische Spannungen erzeugt werden. Diese unterschiedlichen Temperaturen treten auf, weil die Konstruktion so ausgeführt ist, dass sich der Thermofühler in der Flamme befindet, während die kältere Stelle außerhalb der Flamme liegt. Ein Stromkreis wird über eine Magnetspule geschlossen. Die Ankerplatte ist über einen Stift mit dem Gasventil verbunden, wobei die Schließfeder dazwischen liegt. Die Schließfeder gewährleistet, dass während des Betriebs des Brenners Gas nur gegen die Kraft der Feder strömen kann, bis die magnetische Kraft, die durch den Stromfluss an der warmen Stelle erzeugt wird, größer wird als die Federkraft.

Gasbrenner Sicherheitsmechanismen

Strömungssicherungen mit Funktionsbeispielen

Im umgekehrten Szenario schwächt sich die magnetische Kraft ab, wenn die Flamme erlischt. Dies führt zur Unterbrechung der Gaszufuhr.

Eine alternative Methode, die Ionisationsflammenüberwachung, nutzt die Tatsache, dass Gasmoleküle aufgrund der hohen Temperatur der Flamme zu elektrisch geladenen Trägern werden. Infolgedessen bleibt der Stromkreis während des Betriebs aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des brennenden Luft-Gas-Gemisches geschlossen. Regelmäßige Wartung ist hier von besonderer Bedeutung, da Feuchtigkeit, Ablagerungen oder sogar elektrische Kurzschlüsse Fehlfunktionen verursachen können, die eine scheinbare Flammenpräsenz vortäuschen könnten.

Bei Feuerstellen mit offener Verbrennung sind Strömungssicherungen, auch als Zugunterbrecher bekannt, vorgeschrieben. Sie müssen in allen Brennern ohne Gebläse vorhanden sein, um sicherzustellen, dass die Verbrennung nicht durch Rückstau, Gegenströmungen oder Schwankungen im Luftzug beeinträchtigt wird.