Wirkungsgrad direkt - indirekt - Ofen

Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
(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
Pab
Pzu
m
cp
TV
TR
Hu
B
direkter Wirkungsgrad (Kesselwirkungsgrad)
Nutzleistung (Nennleistung, Output)
zugeführte Leistung, Feuerungsleistung
Wasserdurchfluß [kg/h]
spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers [kJ/kgK] (Wasser ~4,2 kJ/kg
Vorlauftemperatur [K] (bzw. je nach verwendeter Wassermeßstrecke)
Rücklauftemperatur [K] (bzw. je nach verwendeter Wassermeßstrecke)
unterer Heizwert des Brennstoffes [kJ/kg]
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
Folgend eine schematische Darstellung aus DIN EN 13240, DIN EN 13229, DIN EN 14785 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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
QU
Chemische Verluste im Abgas (unverbrannte Bestandteile)
QR
Ascheverluste
QS
Strahlungsverluste
Abgasverluste durch freie Wärme QA (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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
B
Brennstoffbezogene Faktor
Bei der Produktprüfung von Feuerstätten wie
Raumheizer nach DIN EN 13240 oder Kamineinsätze /
Kachelöfen nach DIN EN 13229 müssen Feuerstättenpr
üfstellen
aufgru
nd der geforderten Genauigkeit exaktere Berechnungen
durchführen.
Nachfolgend ein Beispiel zur Berechnung des
Abgasverlustes aus DIN EN 14785 oder DIN EN 13240
zur Bestimmung des Abgasverlustes QA:
QA
Abgasverlust in %
ta
Abgastemperatur in °C
7 / 28
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
Verluste durch unverbrannte Gase QU (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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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 Rost10 / 28
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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 12815 und
11 / 28
Wirkungsgrad direkt - indirekt
DIN EN 13229
und bei der Prüfung von Raumheizer für
Holzpellets / Pelletöfen nach
- DIN EN 14785
der Brennstoff-Wärmeverlust mit 0,2
Prozentpunkten
des Wirkungsgrades angesetzt werden.
Verluste infolge Strahlung QS
(Strahlungsverluste)
Verluste über heiße Oberflächen
12 / 28
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
4702-2:1990-3 "Heizkessel-Regeln
für die heiztechnische Prüfung"
durchgeführt werden. Bei der
vereinfachten Berechnung nach
DIN 4702-2 wird für die Enthalpie
des Wasserdampfes 2440,0 kJ/kg
20 / 28
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
4702-2 angenommen, dass die
Temperatur des Kondensats 25°C
beträgt. Das Abgaskondensat was
als Tröpfchenform mit dem Abgas
entweicht bleibt ebenfalls nach DIN
4702-2 unbestimmt.
21 / 28
Wirkungsgrad direkt - indirekt
Formel nach DIN 4702-2 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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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 (CO2) und Wasser (H2
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
gasförmig verlässt und bei
Brennwertkesseln ausgenützt
werden kann.
Der Brennstoff Erdgas besteht zu
ca. 75 Gewichtsprozenten aus
Kohlenstoff (C) bzw. aus 92 Vol. %
Methan (CH4). 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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
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
Wirkungsgrad direkt - indirekt
Gerne nehmen wir auch
konstruktive Kritik, Anregungen
oder Hinweise über Fehler
entgegen.
Zugriffe auf diesen Beitrag: {oshits
}
28 / 28