Wirkungsgrad (direkt, indirekt)

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1 Wirkungsgrad (direkt, indirekt) Einer der wichtigsten Kenngrößen zur Beurteilung der Qualität einer Holzfeuerung ist der Wirku ngsgrad. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der nutzbaren Leistung P ab (oder auch Q ab, P Nenn, Nennwärmeleistung) und der zugeführten Leistung P ZU (Feuerungsleistung, Input Q F ). Der Wirkungsgrad kann entweder direkt (auch Kesselwirkunsgrad genannt) über die abgegebene und zugeführte Leistung bestimmt werden oder indirekt (feuerungstechnsicher Wirkungsgrad), indem die Verluste bestimmt werden. Im folgenden wird die Bestimmung von beiden Wirkungsgraden erläutert. Einige Erläuterungen wurden dem Handbuch der Berechnungssoftware Feuerungs- und Wärmetechnik " firecalc " entnommen. Direkter Wirkungsgrad (direkte Methode, Kesselwirkungsgrad) Bei dieser Methode wird der Wirkungsgrad (eta) direkt über die abgegebene Nutzwärme bestimmt. Der Wirkungsgrad nach der direkten Methode ist das Verhältnis von eingesetzter Leistung 1 / 28

2 (Brennstoffenergiestrom QB) zur nutzbaren Leistung (Nutzenergiestrom QN oder Nennleistung) in Prozent. Die erzeugte Wärme wird auf einen Wärmeträger übertragen, z. B. Wasser. Die Bestimmung des direkten Wirkungsgrades wird nur bei "Kesselgeräten" oder auch selten bei Speicheröfen im Kaloriemeterraum durchgeführt. Die Berechnung des direkten Wirkungsgrad erfolgt nach folgender Beziehung: eta direkter Wirkungsgrad (Kesselwirkungsgrad) Pab Nutzleistung (Nennleistung, Output) Pzu zugeführte Leistung, Feuerungsleistung m Wasserdurchfluß [kg/h] cp spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers [kj/kgk] (Wasser ~4,2 kj/kg TV Vorlauftemperatur [K] (bzw. je nach verwendeter Wassermeßstrecke) TR Rücklauftemperatur [K] (bzw. je nach verwendeter Wassermeßstrecke) Hu unterer Heizwert des Brennstoffes [kj/kg] B Brennstoffdurchsatz [kg/h] Zusätzlich müssen gegebenenfalls noch Verluste und/oder Gewinne der Meßstrecke berücksichtigt werden (z.b. Aufheizung des Kesselwassers durch die Umwälzpumpe, Abkühlungsverluste in den Verbindungsschläuchen usw.). Auf eine direkte Messung der Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sollte man aus Gründen der Messgenauigkeit verzichten. Aufgrund der geringen Temperaturspreizung und des hohen Wasserdurchsatzes können recht große Meßfehler entstehen. Eine Temperaturmessung mit einer Genauigkeit von 2 Kelvin ist bereits sehr schwierig zu gewährleisten. Akkreditierte Feuertstättenprüfstände müssen aufgrund der in den Produktnormen geforderten Meßgenauigkeit deshalb sogenannte Kurzschlußmeßstände (Kurzschlussmesstrecke) oder Wärmetauschermeßstände verwenden. Bei der Kurzschlussmeßstrecke wird die an das Heizwasser nutzbar abgegebene Wärmeleistung durch Messung eines in den Kesselkreislauf eingespeisten Kaltwasser-Massenstromes und Temperaturerhöhung auf Vorlauftemperatur oder durch Messung des im Kesselkreislauf umgewälzten Wasser-Massenstromes und seiner Temperaturerhöhung ermittelt. 2 / 28

3 Folgend eine schematische Darstellung aus DIN EN 13240, DIN EN 13229, DIN EN und auch DIN EN 303-5: Die spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers c P beträgt bei Wasser überschlägig 4,2 kj/kgk. Hier sollte die Wärmekapazität aufgründen der Genauigkeit aber getrennt nach Vorund Rücklauftemperatur ermittelt werden. 3 / 28

4 Indirekter Wirkungsgrad eta i (indirekte Methode, feuerungstechnischer Wirkungsgrad) In der Praxis ist das direkte Messen der zugeführten und nutzbar abgegebenen Wärme insbesondere bei Raumheizern schwierig oder teilweise unmöglich. Deshalb begnügt man sich bei Messungen meistens mit der Bestimmung des Wirkungsgrades nach der indirekten Methode. Der Wirkungsgrad nach der indirekten Methode in Prozent entspricht der eingesetzten Leistung (Brennstoffenergiestrom QB, Feuerungsleistung) minus der Verluste (plus der Kondensationswärme, wenn vorhanden). eta indirekter Wirkungsgrad (feuerungstechnischer Wirkungsgrad etai) Qab Nutzleistung (QN, Nennleistung, Output) Qzu zugeführte Leistung (QF, Feuerungsleistung) QVerl. Summe aller Verluste QK Kondensationsgewinne QA Abgasverluste (thermische verluste) 4 / 28

5 QU Chemische Verluste im Abgas (unverbrannte Bestandteile) QR Ascheverluste QS Strahlungsverluste Abgasverluste durch freie Wärme Q A (thermische Verluste) Wenn die Abgase die Feuerstätte verlassen, besitzen sie noch eine höhere Temperatur als die Luft und der Brennstoff bei Eintritt in die Feuerung. Diese Differenz des Wärmeinhaltes der Heizgase stellt den bedeutendsten Verlust dar. Wenn auch anzustreben ist ihn möglichst klein zu halten, so sind hierfür doch Grenzen gesetzt. Einmal muss der notwendige Förderdruck (Kaminzug) gesichert sein, zum anderen muss durch genügend hohe Abgastemperatur der Tauwasserbildung (in der Abgasableitung) im Schornstein und der Korrosion in der Feuerstätte vorgebeugt werden (außer bei Feuerstätten mit planmäßiger Kondensation, Brennwerttechnik). Nach der 1. BImSchV, Anlage 2, Abschnitt 3.4 werden die thermischen Verluste im Abgas für Gas- und Ölfeuerungen überschlägig ermittelt: 5 / 28

6 Die Abgasverluste werden bei Messung des Sauerstoffgehaltes nach folgender Beziehung berechnet: Es bedeuten: qa Abgasverlust in % ta Abgastemperatur in C tl Verbrennungslufttemperatur in C O2,A Volumengehalt an Sauerstoff im trockenen Abgas in % A1 Brennstoffbezogene Faktor A2 Brennstoffbezogene Faktor 6 / 28

7 B Brennstoffbezogene Faktor Bei der Produktprüfung von Feuerstätten wie Raumheizer nach DIN EN oder Kamineinsätze / Kachelöfen nach DIN EN müssen Feuerstättenpr üfstellen aufgru nd der geforderten Genauigkeit exaktere Berechnungen durchführen. Nachfolgend ein Beispiel zur Berechnung des Abgasverlustes aus DIN EN oder DIN EN zur Bestimmung des Abgasverlustes QA: QA Abgasverlust in % ta Abgastemperatur in C 7 / 28

8 tr Verbrennungslufttemperatur in C cpm Von Temperatur und Zusammensetzung der Gase abhängige C Kohlenstoffgehalt des Prüfbrennstoff Cr Kohlenstoffgehalt des Rost- und Schürdurchfalls CO Kohlenstoffmonoxidgehalt der trockenen Abgase CO2 Kohlenstoffdioxidgehalt der trockenen Abgase cpmh2o Von der Temperatur abhängige spezifische Wärme des Wass H Wasserstoffgehalt des Prüfbrennstoff W Wassergehalt des Prüfbrennstoff Wie anhand der Daten erkennbar ist, werden vor der Verwendung der Formel zusätzlich Berechnungen z.b. für die Berechnung der spezifische Wärmekapazität des Rauchgases notwendig. 8 / 28

9 Verluste durch unverbrannte Gase Q U (che mische Verluste) Von den im Abgas etwa noch vorhandenen unverbrannten Gasen spielt praktisch nur der Kohlenmonoxidgehalt eine Rolle. Der anteilsmäßige Verlust lässt sich berechnen. Die Erläuterung der Werte können der Tabelle oben entommen werden. Verluste durch brennbare Rückstände Q R (Ascheverluste) Im Rostdurchfall ist je nach Beschaffenheit des Brennstoffes und der Betriebsweise der Feuerung eine mehr oder weniger große Menge an Unverbranntem (Kohlenstoff) enthalten. 9 / 28

10 Für die Berechnung der Ascheverluste "Wärmeverluste durch Verbrennliches im Rost- und Schürdurchfall von Holz- oder Kohlefeuerungen ist bei der Prüfung der Wärmeleistung der Rost und Schürdurchfall zur Seite zu stellen und abkühlen zu lassen. Die Masse des Rückstandes wird in Kilogramm auf ± 2 g genau bestimmt und registriert. Der Rost- und Schürdurchfall wird analysiert und das Verbrennliche darin bezogen auf den Rost- und Schürdurchfall in Prozent ermittelt. Hierin sind b = brennbare Bestandteile im Rost- 10 / 28

11 und Schürdurchfall, bezogen auf die Masse des Rückstandes R = Rost- und Schürdurchfall, bezogen auf die Masse des verfeuerten Brennstoffs Pauschaler Ansatz: Bei der Produktprüfung, Erstprüfung von folgenden Raumheizern lassen die unten aufgeführten Normen einen pauschalen Verlustwert bei dem Prüfbrennstoff Holz mit 0,5 Prozentpunkten des Wirkungsgrades zu. - DIN EN 13240, DIN EN und 11 / 28

12 DIN EN und bei der Prüfung von Raumheizer für Holzpellets / Pelletöfen nach - DIN EN der Brennstoff-Wärmeverlust mit 0,2 Prozentpunkten des Wirkungsgrades angesetzt werden. Verluste infolge Strahlung Q S (Strahlungsverluste) Verluste über heiße Oberflächen 12 / 28

13 des Wärmeerzeugers ohne dem Wärmeträger von Nutzen zu sein z.b. bei Aufstellung in den nichtbeheizten Bereichen (wird bei Raumheizern nicht berücksichtigt). Der Strahlungsverlust hängt von der Größe der nicht oder unzureichend wärmegedämmten Kesselbeschlagteile, z.b. Kesseltüren, Kessel, Boiler, Rohren und Ventilen und von der Wärmedämmung des Heizkessels ab. Der Strahlungsverlust wird nur indirekt ermittelt und von den 13 / 28

14 Herstellern in der Regel nicht gesondert angegeben. Er hängt von der Größe der nicht wärmegedämmten Kesselbeschlagteile, z.b. Kesseltüren, und von der Wärmedämmung des Heizkessels ab. Der Strahlungsverlust entsteht bei Wärmeerzeugern durch Wärmeabstrahlung warmer Oberflächen in den unbeheizten Aufstellraum ohne dem Wärmeträger von Nutzen zu sein. Der Strahlungsverlust reduziert sich mit sinkender Kesselwassertemperatur und 14 / 28

15 verbesserter Wärmedämmung es Kessels, aber auch durch geringe Stillstandszeiten, eine sorgfältige Dimensionierung des Kessels sowie durch Leistungsmodulation. Die Wärmeabstrahlung (oder Wärmestrahlung) ist eine Form der Wärmeübertragung, die nicht an ein Transportmedium wie Luft oder Wasser gebunden ist. Die Energie der Wärmeabstrahlung ist abhängig von der Oberflächentemperatur, wobei immer der höher temperierte den kälteren Körper "anstrahlt". Die Wärmeverluste werden indirekt bestimmt. Bei der indirekten 15 / 28

16 Methode ist es notwendig, diesen Verlust zu kennen. Näherungsweise kann er auf folgendem Wege ermittelt werden: Von den Kesseloberflächen annähernd gleicher Temperatur (also zu trennen sind z.b. Flächen mit unterschiedlichen Temperaturen wie isolierte Flächen, Türen, Abgasstutzen, Verbindungsrohre, Kesselfundamente,...) werden durch Temperaturmessung (Oberflächenthermometerfühler) Temperaturfelder aufgenommen. Aus dem Mittel der jeweiligen 16 / 28

17 Temperaturen errechnet sich die Wärmeabgabe der Teilfläche wie folgt: Hierin sind Qx = Wärmeabgabe der Teilfläche, in W Fx = Teilfläche, in m2 α = Wärmeübergangszahl, in W/(m2 K) tm = mittlere Oberflächentemperatur der Teilfläche, in C 17 / 28

18 tl = Umgebungstemperatur (in halber Kesselhöhe und von der Kesselvorderseite in 1,5 m Abstand gemessen), in C In dieser Formel ist die Ermittlung des korrekten Wertes für die Wärmeübergangszahl der zu bewertenden Oberfläche sicherlich am schwierigsten. Kondensationsgewinne QS Wird bei einem Brennwertkessel das Abgas soweit abgekühlt, dass das bei der Verbrennung verdampfte Wasser kondensiert, kann die dabei freiwerdende Kondensationswärme der 18 / 28

19 Nutzenergie zugute kommen. Bei der Brennwerttechnik kondensiert ein Teil des bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Heizöl oder Erdgas entstehenden Wassers aus. Zusätzlich zur fühlbaren Wärme kann dadurch die latente Wärme (Kondensation) des Wasserdampfes genutzt werden. Über die Kondensatmenge kann kontrolliert werden, wie gut der Brennwertfeuerung die Energie des eingesetzten Brennstoffes nutzt. Das Messverfahren über die 19 / 28

20 Kondensatmenge ist integrierend und vermeidet Fehler bei Momentanwerten und Differenzbildungen aus viel größeren Zahlen. Die Berechnung der Gewinne durch die Kondensationswärme kann vereinfacht nach den Berechnungsverfahren der (zurückgezogenen) DIN : "Heizkessel-Regeln für die heiztechnische Prüfung" durchgeführt werden. Bei der vereinfachten Berechnung nach DIN wird für die Enthalpie des Wasserdampfes 2440,0 kj/kg 20 / 28

21 und für die Dichte des Wasserdampfs 1,302 kg/m³ angenommen. Als Zwischenergebnis wird die gemessene Kondensatmasse pro kg bzw. pro m³ (bei Gas) verbranntem Brennstoff berechnet. Da es sich um eine vereinfachte Berechnung handelt, wird nach DIN angenommen, dass die Temperatur des Kondensats 25 C beträgt. Das Abgaskondensat was als Tröpfchenform mit dem Abgas entweicht bleibt ebenfalls nach DIN unbestimmt. 21 / 28

22 Formel nach DIN für die Berechnung der Kondensationsgewinne: hd = Enthalpie des Wasserdampfes = 2440 kj/kg bei einer Kondensattemperatur von 25 C Hu = unterer Heizwert des Brennstoffs in kj/kg mk = Kondensationsmasse in kg 22 / 28

23 Der Brennstoff Heizöl EL besteht zu ca. 86,6 Gewichtsprozenten aus Kohlenstoff (C) und zu ca. 13,3 Gewichtsprozenten aus Wasserstoff (H). Heizöl EL enthält geringe Mengen an organisch gebundenem Schwefel (S) sowie Spuren von gebundenem Stickstoff (N). Bei der Verbrennung entstehen daraus als Hauptprodukte Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Man kann davon ausgehen, dass bei der Verbrennung von einem Liter Heizöl ca. 0,9 Liter Wasser gebildet wird, welches bei der konventionellen Heizkessel-Technik den Kessel 23 / 28

24 gasförmig verlässt und bei Brennwertkesseln ausgenützt werden kann. Der Brennstoff Erdgas besteht zu ca. 75 Gewichtsprozenten aus Kohlenstoff (C) bzw. aus 92 Vol. % Methan (CH 4 ). Bei der Verbrennung von einem Kubikmeter (m³) Erdgas werden ca. 1,56 kg Wasser (H 2 O) freigesetzt, das bei Brennwertkesseln ausgenützt werden kann. 24 / 28

25 In letzter Zeit wird die Brennwerttechnik auch für Holzfeuerungen verwendet. Von Grundsatz her enthält Holz; auch ausreichend getrocknetes Holz noch immer eine Restfeuchte von ca. 12%. Damit wäre grundsätzlich die Voraussetzung geschaffen, um Wasserdampf-Kondensation im Abgas zu betreiben. Bei der Brennwerttechnik bei Holzfeuerungen enstehen aber größere Probleme mit dem agressiven Kondensat (schwefelund chlorhaltig, geringer ph-wert) hinsichtlich chemischer Angriffe im 25 / 28

26 Wärmetauscher (Korrosion), Verschmutzung der Wärmetauscherflächen (Ruß, Asche) und Probleme bei der Abführung des Kondensats ins Abwasser (örtliche Abwasserbestimmungen sind zu beachten). Zusätzlich werden bei Holzfeuerung größere Luftzahlen (Luftüberschuss Lambda) gefahren als bei Öl- oder Gasfeuerungen, wodurch größere Abgasvolumenströme resultieren. Hierdurch müssen konstruktiv größere Wärmetauscherflächen realisiert werden als bei Gas- oder Öl- Brennwertgeräten. 26 / 28

27 Die berechneten Gewinne durch Kondensation erhöhen den feuerungstechnischen Wirkungsgrad und damit die Nutzleistung. Falls Ihnen dieser Beitrag gefallen hat, würden wir uns über einen Beitrag in unser Gästebuch freuen. 27 / 28

28 Gerne nehmen wir auch konstruktive Kritik, Anregungen oder Hinweise über Fehler entgegen. Zugriffe auf diesen Beitrag: {oshits } 28 / 28