Verbrennung

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Verbrennung
Grundlagen der Heiz- und Raumlufttechnik-WS 2015/16
M.Sc. Reza Adili
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Inhalt
o Grundlagen der Verbrennung
o Brenner
o Kessel
Reza Adili
09.12.2015
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Nutzung
o Verbrennungsmotoren
o Gasturbinen
o Großfeuerungsanlagen
o Haushaltsfeuerungen
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Definition
„eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion eines
Stoffes mit Sauerstoff”
Antoine Lavoisier, 1777
(schnelle)
langsame,Verbrennung
stille Oxidation
mit Feuererscheinung
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Voraussetzungen
Verbrennungsdreieck:
ausreichend hohe
Entzündungstemperatur
Sauerstoff als
Oxidationsmittel
brennbarer Stoff in ausreichender Menge
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Verbrennungsvorgang
o Mischung von Brennstoff und Luft
o Erwärmung beider Reaktionspartner auf Zündtemperatur
o Verbrennungsreaktionen und Energiewandlung
o Wärmeabgäbe aus der Flamme und den Verbrennungsgasen an
die Umfassungsflächen der Feuerung
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Brennstoffe
o Feste Brennstoffe
• Holz , Braun- und Steinkohle
• Brennbare Elemente: Kohlenstoff (C), Kohlenwasserstoff (CnHm),
Schwefel (S)
• Unbrennbare Stoffe: Wasser und Asche
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Brennstoffe
o Flüssige Brennstoffe
• Erdöl, Benzin, Heiz- und Schweröle
• Kohlenwasserstoffmoleküle: Kohlenwasserstoff (CnHm)
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Brennstoffe
o Gasförmige Brennstoffe
• Erdgas, Propan, Butan
• Brennbare Elemente: Wasserstoff (H), Kohlenwasserstoff (CnHm),
Kohlenoxid (CO)
• Ballaststoffe: Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2)
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Heizwert
(früher unterer Heizwert Hu genannt) Die Wärmemenge, die bei einer
vollständigen Verbrennung von 1 kg Brennstoff abgegeben wird unter
der Voraussetzung, dass:
• die Temperatur des Brennstoffes vor dem Verbrennen und die
seiner Verbrennungsprodukte 25°C beträgt
• das vor der Verbrennung im Brennstoff bereits vorhandene und das
durch die Verbrennung zusätzlich gebildete Wasser nach der
Verbrennung dampfförmig (bei 25°C) vorliegen
• die Verbrennungsprodukte von Kohlenstoff und Schwefel als
Kohlendioxid, Schwefeldioxid gasförmig vorliegen
• eine Oxidation des Stickstoffs nicht stattgefunden hat
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Brennwert
(früher oberer Heizwert HO oder Verbrennungswärme genannt) Die
Wärmemenge, die bei einer vollständigen Verbrennung von 1 kg
Brennstoff abgegeben wird unter der Voraussetzung, dass:
• die Temperatur des Brennstoffes vor dem Verbrennen und die
seiner Verbrennungsprodukte 25°C beträgt
• das vor der Verbrennung im Brennstoff bereits vorhandene und das
durch die Verbrennung zusätzlich gebildete Wasser nach der
Verbrennung flüssiger Form vorliegen
• die Verbrennungsprodukte von Kohlenstoff und Schwefel als
Kohlendioxid, Schwefeldioxid gasförmig vorliegen
• eine Oxidation des Stickstoffs nicht stattgefunden hat
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Verbrennungswärme Ho und unterer Heizwert Hu in kJ/kg bzw. kJ/m3
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Verbrennungsluft
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Verbrennungsluft
• Die zur vollkommenen Verbrennung von Brennstoffen theoretisch
erforderliche Luftmenge ist lmin
• Jedoch ist , um eine vollkommene Verbrennung zu erhalten, mehr
Luft zuzuführen, als theoretisch erforderlich ist
• Das Verhältnis der wirklich zugeführten Luftmenge l zu lmin nennt
man Luftzahl (Luftverhältniszahl) λ
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vollständige Verbrennung
Voraussetzung für eine vollständige Verbrennung sind folgende
Bedingungen in der Ausbrandzone:
• genügend Luftsauerstoff
• gute Durchmischung von Brennstoff und Luftsauerstoff
• ausreichend hohe Temperatur
• ausreichende Verweilzeit
Im englischen Sprachgebrauch werden die Vorbedingungen für einen
guten Ausbrand durch die 3-T-Regel verdeutlicht:
Temperature, Time und Turbulence
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Verbrennungsrechnung
• Die Verbrennung ist die vollständige Oxydation der Elemente
Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Schwefel (S)
• Die Oxydationsvorgänge werden durch die Verbrennungsgleichungen
deutlich gemacht
• Die Rechnungen werden über die Mengeneinheit kmol durchgeführt
• Die eingesetzten Zahlenwerte stehen für das Molvolumen in m3 bei
Gasen bzw. die Atom- oder Molekülgewichte in kg bei festen/füssigen
Stoffen
• Für C, S, H2 und O2 gelten:
Mc = 12,011 kg; Ms = 32,064 kg; Mh = 2,016 kg; Mo = 31,998 kg
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Brennstoff
c
h
w
s
o
n
x
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o
Kessel
n
Luft
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Brennstoff
c
h
w
s
o
Kessel
n
C+O2
2H2+O2
S+O2
o
n
x
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CO2
2H2O
SO2
Luft
21.01.2015
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Brennstoff
Kessel
n
w
C+O2
2H2+O2
S+O2
n
x
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Luft
CO2
2H2O
SO2
Wärme
21.01.2015
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Reaktionsgleichungen
Die folgenden Zahlen beziehen sich auf die Verbrennung von jeweils 1kg Brennstoff
Bestandteile:
Brennstoff
Bestandteile
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Masse O2 in kg
Masse Produkt in kg
Freiwerdende
Wärme
Wasserstoff H2
7,936
8,936 H2O
120 MJ/kg
Kohlenstoff C
2,664
3,667 CO2
33,9 MJ/kg
Schwefel S
0,998
1,998 SO2
9,3 MJ/kg
Methan CH4
3,989
2,743 CO2 +
2,245 H2O
55,4 MJ/kg
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Reaktionsgleichungen
omin c
Mindestsauerstoffbedarf für 1 kg C
=
2,664 kg
omin H 2
Mindestsauerstoffbedarf für 1 kg H2 =
7,936 kg
omin S
Mindestsauerstoffbedarf für 1 kg S
0,998 kg
Massenanteil der
Bestandteile in 1 kg
Brennstoff
Reza Adili
c
kgC/kgBr
h
s
kgH2/kgBr
n
kgN2/kgBr
o
kgO2/kgBr
w
kgw/kgBr
a
kga/kgBr
=
kgS/kgBr
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c+h+s+n+o+w+a=1
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Reaktionsgleichungen
Mindestsauerstoffbedarf für 1 kg Brennstoff (flüssig):
omin= omin c ⋅ c + omin H ⋅ h + omin s ⋅ s − o
2
Mindestluftbedarf für 1 kg Brennstoff:
lmin =
omin
0, 2314
Sauerstoffmassenanteil der Luft (kgO2 / kgLufttr)
tatsächlicher Luftbedarf:
l = λ . lmin
Luftzahl
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Reaktionsgleichungen
Rauchgasbestandteile für 1 kg Brennstoff (flüssig):
=
µCO2 3, 664
=
µ SO2 1,998
kgCO2
⋅c
kg C
kgSO2
⋅s
kg S
=
µ H 2O 8,936
Luftfeuchtegehalt
kgH 2O
⋅ h + λ ⋅ lmin ⋅ x + w
kg H 2
entstandene
Feuchte
durch
Reaktion des Wasserstoffgehalts
des Brennstoffes mit Sauerstoff
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Wassergehalt
des Brennstoffes
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Reaktionsgleichungen
Rauchgasbestandteile für 1 kg Brennstoff (flüssig):
µ N = n + λ ⋅ lmin ⋅ 0, 755
2
kgN 2
kg luft
 kg i 
kg Br  Massenteile im

ξi =
 kg Rg  Rauchgas
µ Rg 

kg
 Br 
µi 
µ Rg =1 + λ ⋅ lmin ⋅ (1 + x) − a
f
1 kg Brennstoff
λ ⋅lmin
λ ⋅lmin . x
µN
µ Rg
ξCO =
µCO
µ Rg
2
µ Rg
Luft
Feuchte
ξN =
a
f
Rauchgas
2
2
2
.
.
.
Reza Adili
09.12.2015
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Emissionen
Die Bildung von Schadstoffen bei Verbrennungsprozessen ist
unvermeidlich und lässt sich in der Praxis nur durch Optimierung der
Verbrennung (Primärmaßnahmen) oder durch Abgasreinigung
(Sekundärmaßnahmen) vermindern
Die Emissionen werden in folgenden Kategorien eingeteilt:
• Emissionen bei vollständiger Verbrennung:
CO2, Wasser, Aschepartikel, Schwefeloxide
• Emissionen bei unvollständiger Verbrennung:
CO, Kohlenwasserstoffe, Ruß, unverbrannte Partikel
• Emissionen durch Nebenreaktionen:
Stickstoffoxide (Nox), Dioxine
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09.12.2015
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Abgasprüfung
Aus der Zusammensetzung der Abgase kann man die Güte der
Verbrennung beurteilen.
Die beste Brennstoffnutzung erfolgt dann, wenn mit dem kleinsten
Luftüberschuss alles Brennbare des Brennstoffs vollständig verbrannt
wird.
Dies erkennt man an den Abgasen. Sie sollen kein brennbares H2- oder
CO-Gas enthalten.
So hat der CO2-Gasanteil seinen Größtwert und der Sauerstoffanteil
seinen Kleinstwert.
Noch größerer Luftüberschuss vergrößert die abziehende Abgasmenge
und dadurch auch die darin enthaltene Wärmeenergie. Außerdem sinkt
die Verbrennungstemperatur.
Reza Adili
09.12.2015
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Abgasprüfung
Reza Adili
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Abgasprüfung
Für flüssige Brennstoffe:








1 
1



=
⋅
−
−
⋅
−
⋅
2,
438
1
1,
044
0,912
c
n
s
λ
 + 0, 212
  VCO 

lmin 


 2 

 V 



tr




Für gasförmige Brennstoffe:




1
1
=
λ
− 1 − 1, 044 n  + 0, 212
(1,822 ch4 + 2, 086 c2 h4 + 1,946 c2 h6 + 1, 044 co + 0, 665 co2 ) .  V

lmin
 CO2 


  V 

tr


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09.12.2015
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Verbrennungsdreiecke
Eine übersichtliche Darstellung der
Rauchgaszusammensetzung
lässt
sich durch Verbrennungsdreiecke
erreichen.
Aus dem Ostwald-Dreieck, lässt sich,
abhängig vom CO2- und O2-Gehalt
der Rauchgase, der CO-Gehalt und
die Luftzahl λ ablesen.
Bei O2 = 3,5% und CO2 = 9,8%
ist λ = 1,18
Reza Adili
09.12.2015
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Brenner
Reza Adili
09.12.2015
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Ölbrenner
Allgemein bestehen Ölbrenner aus folgenden getrennt betrachtbaren,
aber teilweise zusammengefassten Einrichtungen zur:
• Ölförderung
• Luftförderung
• Ölaufbereitung (Vorwärmung, Schicht- oder Spraybildung,
Verdampfung)
• Mischung von Brennstoff und Luft
• Regelung und Flammenüberwachung
Reza Adili
09.12.2015
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Ölbrenner
Schichtungsbrenner:
In einem Schichtungsbrenner wird der Brennstoff entweder am Boden eines
nach oben offenen Topfes oder auf der Innenwand eines horizontal gelagerten
rotierenden Rohres als dünne Schicht ausgebreitet.
Öl-Rotationsrohr
Topfbrenner mit
Ventilator
Reza Adili
09.12.2015
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Ölbrenner
Öldruckzerstäubungsbrenner:
Die Druckzerstäubung ist das heute am meisten angewandte Verfahren. Das
Heizöl (in aller Regel vorgewärmt) wird hier von einer Brennerpumpe auf einen
hohen Druck gebracht (6–20 bar bei Kleinbrennern und 20–40 bar bei
Großbrennern) und über eine Düse zerstäubt.
Reza Adili
09.12.2015
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Ölbrenner
Öldruckzerstäubungsbrenner:
Gelbbrenner
Reza Adili
09.12.2015
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Ölbrenner
Öldruckzerstäubungsbrenner:
Blaubrenner
Reza Adili
09.12.2015
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Ölbrenner
Druckluftzerstäubungsbrenner:
Die Injektionszerstäubung ist bei Industrie- und Großbrennern für
schweres Heizöl und Teeröl zu finden. Das Öl wird mit vergleichsweise
niedrigem Druck (10…60 kPa) zur Düsenmündung geführt und dort
von Pressluft- oder Dampfstrahlen fortgerissen und zerstäubt.
Reza Adili
09.12.2015
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Gasbrenner
• Bei der Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen entfällt die
Aufbereitung und Verdampfung
• Das in der Leitung herangeführte Gas mit seinem Druck bereits die
zur Mischung mit der Verbrennungsluft erforderliche Energie besitzt
• Brennern mit Flammenmischung und Brennern mit Vormischung
• Beide Brennerarten gibt es mit und ohne Verbrennungsluft-Gebläse
• Brenner mit Mischung in der Flamme liefern längliche Flammen und
benötigen daher auch Feuerräume mit entsprechender Lange
• Brenner mit Vormischung besitzen generell kurze Flammen und
erfordern daher kurze und breite Feuerräume
Reza Adili
09.12.2015
Bild 40
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Gasbrenner
Brenner ohne Gebläse:
Bei Brennern ohne Gebläse wird das Injektorprinzip für die Vormischung der
Luft und des Gases verwendet. Das Gas wird mit hohem Druck über Düsen in
das Mischrohr eingeblasen. Die hohe Geschwindigkeit der aus den Düsen
austretenden Gasstrahlen erzeugt am Mischrohreintritt einen Unterdruck,
durch den die Primärluft aus der Umgebung angesaugt wird.
Reza Adili
09.12.2015
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Gasbrenner
Gasgebläsebrenner:
• Bei diesen Brennern wird die Verbrennungsluft durch ein Gebläse
zugeführt, wodurch sie gegenüber atmosphärischen Brennern
weniger stark vom Schornsteinzug abhängig sind.
• Die Mischung von Gas und Verbrennungsluft findet entweder vor
dem Gebläse oder hinter dem Gebläse statt.
• Die Vorteile von Gasgebläsebrennern liegen in der exakten
Dosierung der Luftmenge.
• Damit sind kleinere Luftüberschußzahlen betriebssicher realisierbar,
wodurch sich der feuerungstechnische Wirkungsgrad verbessert.
Reza Adili
09.12.2015
Bild 42
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Gasbrenner
Gasgebläsebrenner:
Diffusionsbrenner
(in der Flamme
mischende Brenner)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 43
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Gasbrenner
Gasgebläsebrenner:
Vormischbrenner
(vor der Flamme
mischende Brenner)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 44
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Kessel
Reza Adili
09.12.2015
Bild 45
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Definition
• Wärmetauscher, in dem die Wärme von den
Verbrennungsgasen an das Heizmittel übertragen wird
erzeugten
• Dienen sie dem Zweck der Heizung, so heißen sie Heizkessel
• Wasserheizer, Umlaufgaswasserheizer, Heiztherme
• Sehr häufig ist der Heizkessel mit einer Einrichtung zur
Trinkwassererwarmung– meist in einer konstruktiven Einheit –
kombiniert
Reza Adili
09.12.2015
Bild 46
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Definition
Sie bestehen aus einem Brenner und einem Kesselkörper (Feuerrost
bei Festbrennstoffen)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 47
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Definition
Wasserseite
Nachschaltheizfläche
Leistungsverhältnis etwa 3:1
Feuerraum
Feuerungsseite
Reza Adili
09.12.2015
Bild 48
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Wasserrohrkessel
Zwangsumlaufgaskessel
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Zwangsdurchlaufkessel
09.12.2015
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Standardkessel (Konstanttemperaturkessel)
"Ein Standardheizkessel ist ein Heizkessel, bei dem die durchschnittliche
Betriebstemperatur durch seine Auslegung beschränkt sein kann„ (nach Richtlinie
92/42/ EWG)
• Konstante Vorlauftemperaturen zwischen 70 und 90°C
• Die Abgastemperaturen zwischen 230 und 300°C
• Hauptsächlich bis zum Anfang der 80er Jahre aufgestellt
• Keine Kondensation des Wasserdampfs entlang des Abgasweges (um
Korrosion zu vermeiden)
• Sehr hohe Abstrahlungs- und Bereitschaftsverluste
• Sie passen die Heizleistung nicht an die Außentemperatur und den
tatsächlichen Bedarf an
• Jahres-Nutzungsgrade liegen im Mittel bei etwa 60 bis 70 %
Reza Adili
09.12.2015
Bild 51
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Niedertemperaturkessel
„Der Niedertemperaturkessel ist ein Kessel, der kontinuierlich mit einer
Eintrittstemperatur von 35…40°C funktionieren kann und in dem es unter bestimmten
Umständen zur Kondensation kommen kann“ (nach Richtlinie 92/42/ EWG)
• Die maximale Kesselwasserbetriebstemperatur beträgt 75°C
• Die Kesseltemperatur wird abhängig von der Außentemperatur bis auf 40
°C und tiefer geregelt
• Oder sie besitzen eine konstante Betriebstemperatur von 55°C und weniger
• Die Abgastemperatur beträgt 160°C (bis zu 200°C)
• Besteht die Gefahr, dass der Wassertaupunkt des Abgases unterschritten
wird
• Jahres-Nutzungsgrade liegen im Mittel bei etwa 90 bis 93%
Reza Adili
09.12.2015
Bild 52
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Niedertemperaturkessel
NT-Öl/Gas-Heizkessel in Dreizugbauweise
mit
mehrschaliger Konvektionsheizﬂäche.
Normnutzungsgrad bis 96% (Viessmann;
VITOPLEX 300, Leistungen: 80 bis 1750 kW).
Reza Adili
09.12.2015
Bild 53
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Niedertemperaturkessel
Niedertemperatur-Stahlheizkessel mit Thermostream-Technologie für Öl/Gas-Gebläsebrenner
(Buderus Heiztechnik, Logano SE 425, Leistung von 71 bis 170 kW).
Reza Adili
09.12.2015
Bild 54
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Brennwertkessel
„Der Brennwertkessel ist ein Kessel, der für permanente Kondensation eines Großteils
der in den Abgasen enthaltenen Wasserdämpfe konstruiert ist“ (nach Richtlinie 92/42/
EWG)
• Latente Wärme
• Niedrige Rücklauftemperaturen unter ca. 50°C (Erdgas) bzw. 45°C (Heizöl)
• Die Abgastemperatur ist stark abgesenkt (auf etwa 40 °C)
• Die dazu benötigten Wärmetauscher können extern oder im Gerät
angeordnet sein
• Bei Gas bis 25kW Kesselleistung darf das Kondensat in das Abwasser
gegeben werden
• Jahres-Nutzungsgrade liegen im Mittel bei etwa 100 bis 108%
Reza Adili
09.12.2015
Bild 55
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Brennwertkessel
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09.12.2015
Bild 56
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Brennwertkessel
Reza Adili
09.12.2015
Bild 57
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Brennwertkessel
Energieinhalte von Brennstoffen (Quelle: Viessmann)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 58
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Brennwertkessel
Wasserdampf-Taupunkttemperatur (Quelle: Viessmann)
Reza Adili
09.12.2015
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Brennwertkessel
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Vorlauf-/Rücklauftemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur, (Quelle: Viessmann)
09.12.2015
Bild 60
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Brennwertkessel
Konstruktionsmerkmale
der Heizkessel (Quelle:
Viessmann)
Heizgas- und Kondenswasserführung
(Quelle:
Viessmann)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 61
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Kessel für feste Brennstoffe
Mit oberem Abbrand (Durchbrand):
Reza Adili
09.12.2015
Bild 62
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Kessel für feste Brennstoffe
Mit unterem Abbrand:
Reza Adili
09.12.2015
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Kessel für feste Brennstoffe
Holzvergaserkessel:
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09.12.2015
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Kesselbewertung
Kesselwirkungsgrade = f (Belastung, Regelung, Leistung, Konstruktion (Alter), Brennstoff)
Verluste :
•
Abgasverluste
•
Strahlungsverluste
•
Betriebsbereitschaftsverluste
Mögliche Verbesserungsmaßnahmen:
•
•
Reza Adili
Modulierende Brennstoffzufuhr 𝑚̇𝐵𝐵 ≠ 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘.
Verringerung des Luftüberschusses 𝑚̇𝐿 = 𝜆. 𝑚̇𝐿,𝑚𝑚𝑚 ≠ 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘.
09.12.2015
Bild 68
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Kesselbewertung
Wirkungsgrad:
Wärmeströme bei einem Heizkessel (Quelle: Viessmann)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 69
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Kesselbewertung
Jahres-Nutzungsgrad:
Bereitschaftsverluste in Abhängigkeit von der Kesselleistung (Quelle: Viessmann)
Reza Adili
09.12.2015
Bild 70
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Kesselbewertung
Jahres-Heizarbeit:
:
Aufteilung der Jahres-Heizarbeit (Quelle: Viessmann)
Reza Adili
09.12.2015
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GebäudeEnergetik
Kesselbewertung
Norm-Nutzungsgrad:
:
Auslastungsstufen nach DIN 4702 (Quelle: Viessmann)
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit!
M.Sc. Reza Adili
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