Aufbau eines Gas-Brennwertheizgerätes

Brennwert≡Brennwert≡
Der Brennwert umfasst die gesamte Wärmemenge, die bei Verbrennung eines Brennstoffes frei wird und schließt die Verdampfungswärme des Wassers ein. Die Höhe der Verdampfungswärme ist allerdings brennstoffspezifisch. Sie hängt von der Anzahl der chemisch gebundenen Wasserstoffatome im Verhältnis zu den Kohlenstoffatomen ab. Nutzbar ist die im Wasserdampf versteckte Wärme nur mit einem Brennwertheizgerät. Bei fossilen Brennstoffen unterscheidet man zwischen dem Heizwert und dem Brennwert, der auch "oberer Heizwert" genannt wird. Da in der Heizungstechnik der Wirkungsgrad auf den Heizwert (unterer Heizwert) bezogen und dieser gleich 100 % gesetzt wird, ist bei der Angabe des Wirkungsgrades von Brennwertheizgeräten ein Wirkungsgrad über 100 % möglich.-Heizgeräte sind so konstruiert, dass sich das Abgas gut abkühlen und der enthaltene Wasserdampf kondensieren kann. Die Abgastemperatur≡Abgastemperatur≡
Die Abgastemperatur (t_A) ist die Temperatur der heißen Verbrennungsgase (Abgase). Sie ist abhängig vom Brennstoff sowie von der Art der Verbrennung und des Wärmerzeugers. Um eine hohe Energieausnutzung zu erzielen, sollte die Abgastemperatur so niedrig wie möglich sein (konstruktionsabhängig). muss dazu die Taupunkttemperatur≡Taupunkttemperatur≡
Die Taupunkttemperatur ist die Temperatur (z.B. von Luft oder Abgasen), bei der der Sättigungszustand erreicht ist, das Medium temperaturbedingt keine weiteren Moleküle eines anderen Gases (z.B. Wasserdampf) mehr aufnehmen kann und Kondensat ausfällt. des Wasserdampfes unterschreiten.

Prinzipdarstellung der Wirkungsweise eines Brennwertheizgerätes Heizungsvorlauf≡Heizungsvorlauf≡ Mit Heizungsvorlauf bezeichnet man den Rohrstrang, in dem das Heizungswasser vom Heizkessel mit höherer Temperatur weggehend zu den Heizköpern fließt. Heizungsrücklauf≡Heizungsrücklauf≡ Mit Heizungsrücklauf bezeichnet man den Rohrstrang in einer Zentralheizungsanlage, in dem das Heizungswasser, mit niedrigerer Temperatur von den Heizkörpern kommend, zum Heizkessel zurück fließt. Gaszufuhr Verbrennungsluftzufuhr Abgas Wärmetauscher≡Wärmetauscher≡ Ein Wärmetauscher (auch Wärmeübertrager) ist ein Gerät, das Wärme eines Mediums an ein anderes oder das gleiche Medium übertragen kann, ohne dass sich die Medien dabei vermischen. Wärmetauscher findet man u. a. in Warmwasserspeichern in Form von gewickelten Rohren oder Rohrbündeln zur Übertragung der Heizwasserwärme an das Trinkwasser. In Be- und Entlüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung werden z. B. Kanalwärmetauscher zur Entwärmung der Abluft und Übertragung der Wärme an die kältere Zuluft eingesetzt. für die hauptsächliche Aufnahme der Wärmemenge aus dem Abgas Wärmetauscher für die Abkühlung des Abgases unter den Taupunkt≡Taupunkt≡ Der Taupunkt ist ein temperaturabhängiger Zustand, bei dem Luft keinen Wasserdampf mehr aufnehmen kann, da die Sättigungsgrenze erreicht ist. Dies entspricht 100 % relative Luftfeuchte. Wird die Lufttemperatur verringert, z. B. durch Abkühlung an kalten Wänden, kondensiert Wasserdampf aus. Das ausgeschiedene Kondensat erhöht die Bauteil- und/oder die Oberflächenfeuchte. Bei Brennwertkesseln wird der Wasserdampftaupunkt bewusst unterschritten, um durch die Tauwasserbildung am Abgaswärmetauscher die Verdampfungswärme zurückzugewinnen. In feuchteempfindlichen Schornsteinen darf die Taupunkttemperatur der Abgase nicht erreicht oder unterschritten werden, weil sonst die Schornsteinwange feucht wird und ggf. versottet (Schornsteinversottung). des Wasserdampfes Kondensatablauf in den Siphon Bildquelle: Verbraucherzentrale NRW unten: Prinzipdarstellung eines Gas-Brennwertheizkessels mit keramischen Flächenbrenner

Innenansicht und Prinzipdarstellung eines Gas-Brennwertheizkessels; Hersteller: Brötje

Dazu hat sich ein Konstruktionsprinzip durchgesetzt und offenbar bewährt, bei dem das Abgas zur Abkühlung durch einen der Brennkammer nachgeordneten Wärmetauscher geleitet wird. Im Inneren des Wärmetauschers befinden sich Kanäle, die vom kühlen Rücklaufwasser der Heizung durchströmt werden. Es kommt zu einer intensiven Wärmeübertragung≡Wärmeübertragung≡
Wärme wird von einem zum anderen Körper bzw. Medium übertragen durch Konvektion, Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung. vom Abgas auf das Heizungswasser. Wenn das in den Wärmetauscher einströmende Rücklaufwasser eine Temperatur hat, die unterhalb der Taupunkttemperatur des Abgases liegt, erfolgt eine Kondensation des Wasserdampfes und die Übergabe der dabei frei werdenden Wärme an das Heizungswasser.

Ein weiteres Konstruktionsprinzip nutzt die Verbrennungsluft≡Verbrennungsluft≡
Verbrennungsluft muss zum Ingangsetzen und Aufrechterhalten einer wärmeerzeugenden Verbrennung von Brennstoffen an die Feuerstätte bzw. den Brenner herangeführt werden. Die Verbrennungsluft muss frei von korrosiven Bestandteilen und in ausreichender Menge zur Verfügung stehen (vollständige Verbrennung). Man unterscheidet eine raumluftabhängige und eine raumluftunabhängige Betriebsweise. Die Sicherung ausreichender Verbrennungsluftversorgung ist Bestandteil der Kontrollpflichten des Schornsteinfegers. um das Abgas abzukühlen.

Prinzipdarstellung der Wirkungsweise eines Brennwertheizgerätes mit Verbrennungsluftvorwärmung Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf Gaszufuhr Verbrennungsluftzufuhr Abgas Wärmetauscher für die hauptsächliche Aufnahme der Wärmemenge aus dem Abgas Wärmetauscher für die Vorwärmung der Verbrennungsluft und Abkühlung des Abgases unter den Taupunkt des Wasserdampfes Kondensatablauf in den Siphon Bildquelle: Verbraucherzentrale NRW

Der überwiegende Teil der heute angebotenen Gas-Brennwertheizgeräte hat eine Bauform mit integriertem Wärmetauscher. Diese Geräte haben einen sehr kompakten und leichten Aufbau, der außerlich einer konventionellen Therme≡Therme≡
Die Therme ist ein Heizgerät, bei der das Heizungswasser umhüllt von einem führenden Rohr direkt durch die Brennerflamme geführt und dabei erhitzt wird. Thermen werden daher auch als Durchlaufwasserheizer bzw. Umlaufwasserheizer bezeichnet. Im Gegensatz zu einem Heizkessel, in dem eine vergleichsweise große Menge Heizungswasser relativ langsam erwärmt wird, ist der Wasserinhalt einer Therme sehr gering. Der geringe Wasserinhalt verlangt eine Mindestwassermenge bzw. eine Modulation der Brennerleistung. ähnelt. Sie sind als wandhängende Geräte konzipiert und werden mit und ohne integrierter Warmwasserbereitung angeboten. Neben dem Brenner und dem Wärmetauscher enthalten die Geräte meist noch eine passende Regelung, die Heizungsumwälzpumpe, ein kleines Ausdehnungsgefäß≡Ausdehnungsgefäß≡
Das Ausdehnungsgefäß ist eine Einrichtung zur Aufnahme des zunehmenden Wasservolumens, welches durch die Wassererwärmung in einer Heizungsanlage oder Solaranlage entsteht. Beri Schwerkraftanlagen werden offene Ausdehnungsgefäße mit Verbindung zur Luft eingesetzt, die höher angebracht sein müssen, als der höchstgelegene Heizkörper. Heute werden überwiegend geschlossene Membranausdehnungsgefäße (MAG) mit einer Füllung aus Stickstoff angewandt. Ebenso wie in Heizungsanlagen müssen Ausdehnungsgefäße in Solaranlagen so bemessen sein, dass das zusätzlich entstehende Volumen vom Ausdehnungsgefäß aufgenommen werden kann., den Kondensatsiphon sowie eine zweite Pumpe für die Boilerladung oder ein Zweiwege-Umschaltventil für die Warmwasserbereitung.

Als Brenner werden so genannte Gebläse-Vormischbrenner eingesetzt. Gas und Luft können in einem optimalen Verhältnis zueinander vorgemischt werden, was wichtig ist, um zu einer möglichst hohen Taupunkttemperatur zu kommen. Zur Verminderung der Bildung von umweltschädigenden Stickstoffoxiden≡Stickstoffoxide≡ Stickstoffoxide (NOx) ist eine Gruppenbezeichnung für alle bei der Verbrennung entstehenden Oxide des Stickstoffes. Da Stickstoff (N2) ein wesentlicher Bestandteil der Luft ist, entstehen Stickstoffoxide zwangsläufig in mehr oder weniger hoher Konzentration bei Verbrennungsprozessen in Heizkesseln und Motoren trotz der Reaktionsträgheit des Stickstoffes. Ursache ist die hohe Temperatur. Problematisch ist das in geringen Mengen entstehende NO2, das in Wasser löslich ist und mit diesem zu Salpetersäure reagiert. Mit höherwertigen Kohlenwasserstoffen zusammen führen Stickoxide unter Sonneneinstrahlung zur Bildung von Ozon (O3, Sommersmog). In Verbindung mit Wasserdampf können Säuren entstehen (Saurer Regen). Die Einhaltung einer maximaler Stickstoffoxidkonzentration im Abgas wird daher in der BundesImmissionsSchutzVerordnung (Kleinfeuerungsanlagenverordnung) geregelt. werden heute vor allem Flächenbrenner angewendet. Bildquelle: Verbraucherzentrale NRW

Im Brennraum der eingesetzten Gebläsebrenner≡Gebläsebrenner≡
Ein Gebläsebrenner ist eine Einrichtung zur Verbrennung von Ölen oder Gasen in Heizkesseln. Bei einem Gebläsebrenner wird die erforderliche Verbrennungsluft durch ein Gebläse angesaugt und mit Druck unter Beimischung des Brennstoffes (Öl, Gas) in den Brennraum gefördert. Die intensivere Durchmischung von Brennstoff und Luft als bei einem atmosphärischen Brenner führt zu einer optimalen Verbrennung. herrscht Überdruck. Es ergeben sich stabile Verbrennungsverhältnisse, die vom Zugverhalten des Abgassystems praktisch nicht beeinflusst werden. Auch die Stillstandsverluste werden dadurch minimal gehalten. Für Erdgas≡Erdgas≡
Erdgas besteht überwiegend aus Methan (CH₄). Infolge des hohen Anteils von Wasserstoffatomen (H) ist Erdgas besonders gut geeignet für die Brennwerttechnik und als Wasserstofflieferant für Brennstoffzellen.
Erdgas ist der emissionsärmste fossile Brennstoff. Bei der Verbrennung entsteht so gut wie kein Schwefeldioxid, Ruß oder Feinstaub. eingestellte Geräte können in der Regel problemlos auf Flüssiggas≡Flüssiggas≡
Zu den Flüssiggasen zählen Propan und Butan sowie ein Gemisch aus beiden. Flüssiggas fällt bei der Erdöl- und Erdgasgewinnung und in Raffinerien gasförmig als Nebenprodukt an. Durch Komprimierung wird das Gas verflüssigt und in diesem Zustand transportiert und gelagert. Flüssigas hat einen Heizwert von 6,8 bis 7,2 kWh/l je nach Zusammensetzung. umgerüstet werden.

Wärmetauscher für Gas-Brennwertheizgeräte bestehen aus korrosionsbeständigen Werkstoffen. Durchgesetzt haben sich Aluminium-, Magnesium-Siliziumlegierungen und Edelstahl. Bekannt sind bei AlMgSi- Legierungen Materialauswaschungen und Abtragungen. Bei Edelstahl können Schwermetallionen im Kondensat≡Kondensat≡
Kondensat entsteht, wenn ein zuvor gasförmiges Medium durch Temperaturabsenkung Tröpfchen bildet. Das Kondensat von Wasserdampf wird Tauwasser, Kondenswasser oder Schwitzwasser genannt. Beim Erreichen der Sättigungsgrenze durch Temperaturrückang kann Luft den Wasserdampf nicht mehr binden und es kommt zur Abscheidung von Wassertröpfchen. Dies geschieht zuerst an kühleren Oberflächen (z.B. Fensterscheibe, Spiegel) bzw. kühleren Bereichen im Bauteil. Bei Brennwertheizgeräten entsteht Kondensat bei der Abkühlung des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes und führt zur Verbesserung des Nutzungsgrades. Das Kondensat aus Öl-Brennwertheizgeräten muss vor der Einleitung in die Kanalisation neutralisiert werden, wenn nicht schwefelarmes Heizöl genutzt wird. gefunden werden. Aus diesem Grund werden heute Oberflächenvergütungen vorgenommen. Günstig sind Wärmetauscher mit geringem Druckverlust, die den Antriebsenergieaufwand der Pumpe klein halten. Dies gilt auch für Umschaltventile, z. B. für die Warmwasserbereitung.

Brennwertheizgeräte≡Brennwertheizgerät≡
Ein Brennwertheizgerät ist ein Heizkessel bzw. eine Therme, das bzw. die in der Lage ist, den Brennwert, also den vollständigen Energieinhalt eines Brennstoffes zu nutzen. Die dazu erforderliche Rückgewinnung der Verdampfungswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes wird durch besondere konstruktive Maßnahmen im Gerät realisiert. Diese haben eine maximale Kondensation des Wasserdampfes zum Ziel. Die Energieeinsparung liegt je nach Brennstoff gegenüber Niedertemperatur-Heizkesseln bei 10 % bis 15 %. mit geringem Wasserinhalt im Kesselkörper benötigen einen Mindestwasserfluss, um sicher die Wärme abführen zu können. Das wirkt sich nachteilig auf den erforderlichen Strombedarf für die Pumpe aus. Außerdem können Überströmventile≡Überströmventil≡
Das Überströmventil ist eine Einrichtung in Heizungsanlagen zur Anpassung des Förderdruckes der Umwälzpumpe an den Bedarf. Durch das Schließen der Thermostatventile steigt bei ungeregelten Pumpen der Förderdruck im Vorlauf, was zu Geräuschen und Schäden an der Pumpe führen kann. Das zwischen Vorlauf und Rücklauf eingebaute Überströmventil öffnet bei Überschreiten eines bestimmten Druckes (einstellbar) und baut so den Druck ab. Ein Überströmventil ist in der Regel nicht sinnvoll in Brennwertgeräten und in Systemen mit differenzdruckgeregelten Umwälzpumpen. notwendig sein, die unter bestimmten Bedingungen eine Rücklauftemperaturanhebung und damit eine Verschlechterung des Brennwertnutzens bewirken.

Mit der sogenannten Gas-Luft-Verbundregelung lassen sich Brenner mit Leistungsmodulation aufbauen, die einen weiten Leistungsbereich abdecken. Der Mindestfluss wird dann im allgemeinen deutlich reduziert, kann aber nicht auf Null reduziert werden. Es sei denn, das Gerät wird regelungstechnisch total abgeschaltet, was im Allgemeinen vernünftig und für das Gerät ungefährlich ist.