Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

Aufgabenstellung   1

1.  Einleitung  2

2.  Zerstäubungsbrenner.  3

2.1  Druckzerstäuber  3

2.1.1  Öldruckzerstäuberdüsen  5

2.1.1.1  Zerstäubungsverfahren  5

2.1.1.2  Rücklaufgeregelte Ölzerstäuberdüsen (Rücklaufdüsen)  7

2.1.1.3  Charakteristik der Düse  9

2.1.2  Flammenarten und Mischsysteme  10

2.1.2.1  Gelbbrenner  10

2.1.2.2  Blaubrenner  12

2.1.3  Betriebsweise  14

2.1.3.1  Ölzuführung  14

2.1.3.2  Verbrennungsluftzuführung  15

2.1.4  Emissionen und elektrische Leistungsaufnahme  17

2.2  Druckluftzerstäuber  18

2.2.1  Verbrennungsablauf  18

2.2.2  Luftdruckzerstäuberdüse  20

2.2.3  Betriebsweise, Emissionen und elektrische Leistungsaufnahme  21

3.  Verdampfungsbrenner  22

3.1  Verbrennungsablauf  22

3.2  Betriebsweise  24

3.3  Emissionen  24

3.4  Elektrische Leistungsaufnahme  25

3.5  Ablagerungen  26

3.6  Sonstiges  26

II

Inhaltsverzeichnis

4.  Oberflächenbrenner  27

4.1  Verbrennungsablauf  27

4.2  Betriebsweise  28

4.3  Emissionen  29

4.4  Elektrische Leistungsaufnahme  30

4.5  Ablagerungen  30

5.  Kritische Betrachtung  31

5.1  Emissionen  31

5.1.1  Allgemein  31

5.1.2  Startemissionen  32

5.2  Leistungsaufnahme  34

5.3  Betriebsweise  35

5.4  Warmwasserbereitung  36

6.  Forschung und Entwicklung  38

6.1  Gemischbildung und Verdampfung mittels „Kalter Flammen“  38

6.2  Porenbrenner  41

6.2.1  Öl-Porenbrennertechnik  42

6.2.2  Materialien  43

6.2.3  Porenbrenner mit „Kalte Flammen Verdampfung“  44

6.2.3.1  Entwicklungsstufe 1  44

6.2.3.2  EU Projekt Bioflam / Entwicklungsstufe 2  46

6.3  Strahlungsbrenner  50

6.3.1  Aufbau des Brenners  50

6.3.2  Verbrennungsablauf  52

6.3.3  Emissionen  52

6.4  Vorverdampfungsbrenner  54

6.4.1  Brenneraufbau  54

6.4.2  Luftführung  55

6.4.3  Verbrennungsablauf  55

6.4.4  Emissionen  55

III

Inhaltsverzeichnis

6.5  Rotationsverdampfer (Rohrverdampfer)  57

6.6  Ultraschallzerstäuber  58

7.  Fazit  59

7.1  Ölbrenner am Markt  59

7.2  Forschung und Entwicklung  60

8.  Quellennachweis  61

Anhang   

  - Herstellerliste  

IV

Kapitel 1 Einleitung

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1. Einleitung

Im Wohnungsbau hat sich in den letzen Jahrzehnten ein Wandel vollzogen. Durch verschärfte Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz wurde der Wärmebedarf von Wohngebäuden stark reduziert, was dazu führte, das Wärmeerzeuger und Heizungsanlagen immer kleiner ausgelegt werden können. So haben z.B. Niedrigenergiehäuser einen Wärmebedarf von etwa 5 kW.

Dem gegenüber stehen herkömmliche Öldruckzerstäubungsbrenner mit einer unteren Leistungsgrenze von etwa 15 kW. Kleinere Leistungen, und damit verbundene geringere Brennstoffmassenströme, lassen sich aufgrund der Beschaffenheit gängiger Öldüsen nicht realisieren.

Diese Problematik hat zu Anstrengungen in Forschung und Entwicklung geführt, sich mit dem Thema kleiner Ölfeuerungen zu beschäftigen.

Inzwischen sind einige Ölbrenner kleiner Leistung am Markt zu finden. Diese Brenner werden in den folgenden Kapiteln vorgestellt, und anschließend kritisch betrachtet. Des Weiteren sollen aktuelle Forschungsprojekte zu diesem Thema vorgestellt werden.

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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2 Zerstäubungsbrenner

Alle Varianten von Zerstäubungsbrennern zerstäuben den Brennstoff mit Hilfe von Düsen. Zu unterscheiden ist hierbei, ob die Zerstäubung durch den Brennstoff selbst geschieht, oder über ein zweites Medium, z. B. Luft.

Folgende Zerstäubungsbrennertypen können für den Kleinleistungsbereich eingesetzt werden, und sind auf dem Markt erhältlich: - Druckzerstäuber - Druckluftzerstäuber

2.1 Druckzerstäuber

Öldruckzerstäubungsbrenner sind die am häufigsten eingesetzten Ölbrenner in Einfamilienhäusern. Ihr Einsatzbereich beginnt bei etwa 8 kW. [48] Bei diesen Brennern wird dem Heizöl durch eine elektrische Ölpumpe ein Druck aufgebracht. Im Düsenstock mit Ölvorwärmung (Bild 2) wird das Heizöl auf eine Temperatur von ca. 50 - 80 °C [3] vorgewärmt. So wird eine gleich bleibende Viskosität erreicht. Am Düsenstock ist die Öldüse angebracht, welche das Öl nach der Vorwärmung zerstäubt.

Ein Gebläse fördert die Verbrennungsluft zur Gemischaufbereitung, wo Brennstoff und Luft vermischt werden.

Die Gemischaufbereitung besteht zumeist aus einem Drallerzeuger, einer Stauscheibe und/oder einem Brennerrohr.

Die Zündung des Gemisches geschieht durch Zündelektroden mit Hochspannungsfunken. Zur Flammenüberwachung werden thermische oder fotoelektrische (optische) Flammenwächter eingesetzt, welche dem Steuergerät das Vorhandensein einer Flamme anzeigen. [3], [4]

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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Bild 1: Druckzerstäubungsbrenner [4]

Bild 2: Beispielhafter Aufbau eines Druckzerstäubers zur Veranschaulichung [36]

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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2.1.1 Öldruckzerstäuberdüsen

Als wichtiger Bestandteil des Brenners haben Öldüsen nachfolgende Aufgaben zu erfüllen: - Zerstäuben des Heizöles in feinste Tröpfchen (Durchmesser etwa 60 µm bei Kleinbrennern [3])

- Formen der gewünschten Flammenfront, zusammen mit der Mischeinrichtung - Bestimmung der Brennerleistung durch den Öldurchsatz [4] Druckzerstäuberdüsen werden auch als Drall- oder Simplexdüsen bezeichnet. Zur Vergleichbarkeit werden Druckzerstäuberdüsen nach DIN EN 293 auf einen Nenndruck von 10 bar geprüft [45]. Der Brennstoffmassenstrom wird bei dieser DIN auf max. 6,3 kg/h begrenzt. Oft werden diese Angaben auch noch in gph gemacht (gallons per hour, 1 gph = 3,22 kg/h), wobei der Nenndruck dann 7 bar beträgt [3].

Bild 3: Schnittdarstellungen von Druckzerstäuberdüsen [6], [29]

2.1.1.1 Zerstäubungsverfahren

Das von der Ölpumpe mit einem Druck beaufschlagte Öl wird in die Düse geführt, und fließt durch die Tangentialschlitze zur Drallkammer (Wirbelkammer) (Bild 3). Bei dem Eintritt des Öles in die Drallkammer wird die Druckenergie des Öles in Bewegungsenergie umgewandelt, so dass der Druck in der Kammer abnimmt. Die tangentiale Anordnung der Schlitze bewirkt die Ausbildung eines um einen Luftkern rotierenden Ölfilms in der

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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Drallkammer, welcher sich in Richtung der Düsenbohrung bewegt. Auch innerhalb der Düsenbohrung rotiert das Heizöl, bis es den Rand der Düsenbohrung erreicht, und durch die Zentrifugalkraft abgeschleudert wird.

Das Öl tritt zunächst als geschlossener Film aus der Düse aus. Dieser Film verdünnt sich immer mehr, bis er in Öltropfen zerreißt. Diese Tropfen werden durch den Luftwiderstand und die Schwerkraft, die gegen die Oberflächenspannung der Tropfen arbeiten, immer weiter zerteilt. Die Tropfen bewegen sich anfänglich mit einer Geschwindigkeit von 40 -60 m/s, wobei sie einen mittleren Durchmesser von ca. 60 µm haben. [5], [6], [7]

1 Drallkammer, 2 Luftkern, 3 Brennstoff

Bild 4: Veranschaulichung des Luftkerns in der Drallkammer [6] Für Brennerleistungen von etwa 15 kW werden zumeist Düsen mit einem Nenndurchfluss von etwa 0,4 - 0,5 gph [35] verwendet. Werden diese Düsen für kleinere Leistungen (z.B. Brennstoffmassenströme unter 1,2 kg/h) verwendet, nimmt die Feinheit der zerstäubten Öltropfen ab.

Dies wird bedingt durch die abnehmende Rotationsgeschwindigkeit, weshalb auch der Luftkern in der Drallkammer kleiner wird. Dadurch kann das Öl nicht mehr als feiner Film von der Bohrungskante abgeschleudert werden. Bei kleinsten Massenströmen kommt es schließlich zum Austritt eines Ölstrahls. [5], [6], [7] Um auch Leistungen von etwa 8 kW mit Druckzerstäubern abdecken zu können, werden inzwischen Düsen mit einem Nenndurchfluss von etwa 0,3 gph (0,97 kg/h) [35] verwendet. Diese Düsen sind speziell für kleine Brennstoffmassenströme entwickelt worden. Mit anderen Worten wurde die Geometrie der Tangentialschlitze verändert. Das Verhältnis von _________________________________________________________________________

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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Länge zu Tiefe der Schlitze wird sehr klein gehalten. Die kurzen Schlitze sorgen für eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, so das der Brennstoff auch bei kleinen Massenströmen (z.B. 0,76 kg/h bei 5,5 bar - entspricht 9 kW (s. Tabelle 1)) ausreichend in der Drallkammer und der Düsenbohrung rotiert, um einen Luftkern zu bilden, und das Öl als Film von der Kante der Düsenbohrung abgeschleudert werden kann. Des Weiteren werden Schmutzpartikel, die mit dem Heizöl in die Düse gelangen können, durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs aus den Tangentialschlitzen ausgespült, so dass Verstopfungen der Düse vermieden werden. Trotzdem sollte bei Verwendung kleinen Düsen ein feiner Heizölfilter (bis ca. 5 µm Filterfeinheit [42]) eingesetzt werden. [42], [35]

Tabelle 1: Öldurchsätze und Pumpendrücke bei verschiedenen Brennerleistungen [42] Eine Möglichkeit, „herkömmliche“ Öldüsen auch für kleine Brennstoffmassenströme zu verwenden ist die gepulste Zerstäubung. Diese Betriebsweise wird in Punkt 2.1.3.1 erläutert.

2.1.1.2 Rücklaufgeregelte Ölzerstäuberdüsen (Rücklaufdüsen)

Rücklaufdüsen werden bislang vorwiegend in Ölbrennern größerer Leistung eingebaut. In älterer Literatur [7] wird ein Düsendurchsatz ab 2 kg/h angegeben. Die Brenner arbeiten zweistufig oder modulierend, mit Öldrücken zwischen 20 - 40 bar. Das Zerstäubungsprinzip ist das Selbe wie bei Druckzerstäuberdüsen, mit dem Unterschied, dass der zerstäubte Brennstoff je nach Anforderung reguliert werden kann.

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Bild 5: Rücklaufdüse [4], [34]

Die Drallkammer (Wirbelkammer) dieses Düsentyps ist rückseitig angebohrt, so dass ein Teil des Brennstoffmassenstromes durch einen Rücklauf in den Öltank zurückfließen kann. Der andere Teilstrom wird durch die Düsenbohrung zerstäubt.

Die Aufteilung des Brennstoffmassenstromes geschieht durch ein Regelventil im Rücklauf, welches den Rücklaufdruck verändert. Je niedriger der Rücklaufdruck, umso mehr Öl fließt in den Rücklauf und es wird weniger Öl zerstäubt und umgekehrt. Wird die Rücklaufleitung geschlossen, arbeitet die Rücklaufdüse wie eine herkömmliche Druckzerstäuberdüse.

Bei diesen Düsen ist weniger der Vordruck des Öles entscheidend, sondern der Rücklaufdruck, weshalb über diesen die Brennstoffregelung erfolgt. Die Leistungsregelung über den Ölrücklaufdruck muss sehr präzise erfolgen, da bereits eine geringe Änderung dieses Drucks zu einer großen Änderung des zerstäubten Brennstoffmassenstromes führt (s. Bild 6).

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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Bild 6: Einfluss auf die Leistung bei Änderung des Rücklaufdruckes bei Rücklaufdüsen [31]

In Zukunft könnten Rücklaufdüsen auch für Brenner kleiner Leistung eingesetzt werden. Die momentan kleinsten Düsen haben einen Mindestdurchfluss von etwa 1,10 kg/h bei 20 bar, was etwa 12 kW Brennerleistung entspricht (übliche Betriebsdrücke hier 20 - 25 bar) [34]. Brenner mit kleinen Leistungen und Rücklaufdüsen sind aber am Markt noch nicht zu finden, was auf die Empfindlichkeit der Düsen bezüglich der Einstellung des Rücklaufdruckes zurückzuführen ist. [5], [7], [31]

2.1.1.3 Charakteristik der Düse

Neben dem Öldurchsatz, welcher durch den Öldruck vorgegeben wird, und einer möglichst feinen Tropfenbildung, sind für eine gute Verbrennung folgende Charakteristiken der Öldüse von Bedeutung: - Sprühwinkel - Sprühmuster

Die Wahl des günstigsten Sprühwinkels und Sprühmusters für einen bestimmten Brenner, hängt von der Konstruktion seiner Mischeinrichtung ab. Aus diesem Grund gibt es für jeden Brenner nur bestimmte Düsen, die eingesetzt werden können. Die Brennerhersteller geben diese in Ihren Bedienungsanleitungen vor.

Die Sprühwinkel liegen bei Druckzerstäuberdüsen zwischen 45° und 80° (45°, 60°, 80°). Dabei sollte der Sprühwinkel, je nach Brenner, nicht zu groß oder zu klein sein. Bei einem zu großen Sprühwinkel spritzen die Tropfen aus dem zugeführten Luftstrom heraus, und es

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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kommt zu einer unvollkommenen Verbrennung und Ablagerungen von unverbranntem Heizöl im Feuerraum. Ist der Sprühwinkel zu klein, kommt es zu Ablagerungen an der Düse und der Mischeinrichtung, sowie ungeregelten Verbrennungsverhältnissen. Bei Sprühmustern wird vor allem zwischen Voll- und Hohlkegeldüsen unterschieden, wobei es noch weitere Sprühmuster gibt, welche zwischen diesen beiden liegen. Untersuchungen haben gezeigt [6], dass es bei kleinen Öldurchsätzen und Drücken kaum Unterschiede im erzeugten Sprühmuster zwischen Voll- und Hohlkegeldüsen gibt. [5], [6], [7], [29]

Bild 7: Sprühmuster und Sprühwinkel [29], [30]

2.1.2 Flammenarten und Mischsysteme

Die bei der Verbrennung von Heizöl entstehenden Flammen werden zumeist als Diffusions- oder Vormischflammen beschrieben. Die Flammenarten werden bestimmt durch die Ausführung der Mischeinrichtung des jeweiligen Brenners. Hierbei wird von Gelb- und Blaubrennern gesprochen. Zerstäubungsbrenner unter 15 kW sind (bislang) ausschließlich als Blaubrenner am Markt zu finden. Der Vollständigkeit halber sollen aber beide Systeme kurz beschrieben werden.

Die beschriebenen Flammenarten sind selbstverständlich auch bei anderen Brennertypen zu finden, der später beschriebene Oberflächenbrenner ist z.B. ein Blaubrenner.

2.1.2.1 Gelbbrenner

Diffusionsflammen

Bei Diffusionsflammen findet die vollständige (molekulare) Vormischung von Luft und Brennstoff erst im Bereich der Verbrennung statt. _________________________________________________________________________

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Kapitel 2 Zerstäubungsbrenner

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Die Verbrennungsluft gelangt durch Diffusion in ein Dampfgebiet, welches die Öltropfen umgibt. Hier laufen die Verbrennungsreaktionen ab. Des Weiteren geschieht ein Stoffaustausch zwischen Sauerstoff und Verbrennungsprodukten der Tropfenoberfläche, wodurch sich die Verbrennung beschleunigt. Der Tropfen brennt nach und nach ab. Neben dem Tropfenabbrand, kommt es zum Cracken des Heizöles in den Tropfen. Dabei entstehen kohlenstoffreiche Moleküle (es handelt sich hierbei um Festkörper), welche mit einer gelben Flamme abbrennen. Teilchen, welche nicht verbrannt werden, gelangen als Ruß in den Abgasstrom.

Die Schadstoffemissionen können durch einen hohen Luftüberschuss gesenkt werden. Wird ein kritischer Luftüberschuss überschritten, kommt es durch Flammenkühlung zur vermehrten Bildung von Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Rußemissionen, wobei die Stickoxidemissionen gesenkt werden. [29], [31]

Stauscheiben-Mischsystem

Bei einem Stauscheiben-Mischsystem wird die Verbrennungsluft in drei Teilströme aufgeteilt. Der erste Teil strömt durch eine zentrale Öffnung der Stauscheibe, durch die auch der Brennstoff eingebracht wird, in den Verbrennungsraum. Durch Drall- oder Tangentialschlitze in der Stauscheibe, strömt der zweite Verbrennungsluftstrom ein, was zu einer Verdrallung des Gemisches führt. Der dritte Luftstrom (Sekundärluftstrom) wird durch einen Ringspalt zwischen Stauscheibe und Brennerrohr eingeführt. Durch einen sich bildenden Unterdruck hinter der Stauscheibe wird die Flamme nah bei der dieser gehalten. Des Weiteren rezirkulieren Heizgase innerhalb und außerhalb der Flamme in die Flammenwurzel zurück, was das Verdampfen des Brennstoffs beschleunigt. [29], [31]

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