Projekt 04414/01

Schadstoffarme Kachelofen-Heizeinsätze für Holz-Entwicklung zur Serienreife

Projektdurchführung

K.W. Arnold GmbH & Co. KG
Wilhelmshütter Str. 17
35232 Dautphetal

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen eines abgeschlossenen Forschungsvorhabens wurde ein Kachelofen-Heizeinsatz als Unterbrandfeuerung entwickelt. Aufbauend auf diesen Arbeiten soll der neuartige Unterbrand-Heizeinsatz bis zur Serienreife weiterentwickelt werden. Dieser Heizeinsatz zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Entwicklungen durch niedrige Emissionen aus, die von der Brennstoffaufgabemenge oder von einer Leistungsregelung über die zugeführte Verbrennungsluftmenge nur wenig beeinflußt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Weiterentwicklung des Heizeinsatzes bis zur Serienreife müssen geeignete Materialien in Bereichen hoher thermischer Belastung bei reduzierend wirkender Atmosphäre (primäre Reaktionszone) gefunden und die Flammenstabilität bei niedrigem Schornsteinzug (z.B. in der Aufwärmphase des Gerätes) erhöht werden. Bei der Lösung der anstehenden Probleme sind neben technischen Aspekten auch die Anforderungen des Marktes (z.B. erzielbarer Verkaufspreis des Heizeinsatzes) zu berücksichtigen.

Als mögliche Gußqualität für den Einsatz im Brennerbereich bietet sich ein chromlegierter Guß an. Diese Gußqualität wurde bisher im Bereich kleiner Holzfeuerungsanlagen nicht eingesetzt, wohl aber in anderen Bereichen mit hohen Anwendungstemperaturen. Als Alternative zu der verwendeten Schamotteart können hochfeuerfeste Schamottesteine aus dem Bereich der Industriefeuerung oder Feuerbeton verwendet werden.

Bei schlecht wärmedämmenden Schamottearten wirkt sich bei der bisherigen Brennergeometrie das ungünstige Verhältnis von Randfläche zu Volumen negativ aus. Hierdurch wird aus der Flammenwurzel, vor allem in der Aufwärmphase des Heizeinsatzes, zuviel Energie in die Schamotteplatten abgeführt. Durch den Übergang zu einer anderen Brennergeometrie ist eine größere Flammenstabilität erreichbar.


Ergebnisse und Diskussion

Das ursprüngliche Brennerkonzept wurde auf Grundlage der im Vorhabensverlauf gewonnenen neuen Erkenntnisse und unter Berücksichtigung der veränderten Marktbedingungen kritisch überarbeitet. Die grundlegenden Anforderungen an das Seriengerät - günstiges Emissionsverhalten, Leistungsregelung soll möglich sein, Eingriffsmöglichkeiten des Betreibers minimieren - blieben hierbei bestehen. In mehreren Optimierungsschritten wurde schließlich ein neues Konzept zur Brennraumgestaltung erarbeitet.

Durch die Modifizierung des Unterbrand-Heizeinsatzes ergaben sich gegenüber der Ausgangssituation erhebliche Verbesserungen und der Aufbau des Heizeinsatzes wurde deutlich vereinfacht. Materialprobleme traten weder bei längeren Versuchsreihen noch bei einer Überlastung des Ofens auf. Aufgrund der besonderen Anordnung und Form des Rostes und der Verbrennungsluftführung bleibt dieser Heizeinsatz, im Gegensatz zu anderen Bauformen mit Verbrennungsrost, trotzdem in der Leistung regelbar. Außerdem ist im Bereich der Glutzone eine gleichmäßigere Verteilung und gezieltere Zuführung der Primärluft durch den Rost hindurch möglich, wodurch vor allem das Anbrenn- und Teillastverhalten des Heizeinsatzes positiv beeinflußt wird. Da der Heizeinsatz nur noch in einigen besonders wichtigen Bereichen ausschamottiert ist, reduzieren sich die Herstellungskosten und das Gewicht des Heizeinsatzes.

Seit der Bewilligung des Vorhabens nahmen die Verkaufzahlen für Heizeinsätze bundesweit allerdings erheblich ab. Hierdurch verstärkte sich aufgrund des starken Verdrängungswettbewerbes der Kostendruck auf die Hersteller. Dies bewirkte bei allen Herstellern eine vorsichtige Modellpolitik. Die veränderte Marktlage konnte nicht ohne Auswirkungen auf das Serienmodell des Heizeinsatzes bleiben. Die beantragte Zielrichtung des Vorhabens und die eingangs definierten Anforderungen an das Seriengerät sollten aber hierdurch nicht geändert werden. Aber es sollte in allen Punkten nach einer möglichst kostengünstigen Umsetzung des technischen Konzeptes in ein Seriengerät gesucht werden.

Auf Grundlage des vorhandenen und modifizierten Heizeinsatzes und unter den geschilderten wirtschaftlichen Randbedingungen und Anforderungen des Marktes wurde eine Null-Serie gefertigt, die sich in einigen Punkten vom Prototyp unterschied. Um die Kosten zu minimieren, wurde, soweit möglich, auf vorhandene Gußformen zurückgegriffen und diese entsprechend abgeändert. Hierdurch wurden ebenfalls gegenüber dem modifizierten Prototyp einige Änderungen notwendig. Die Summe der Änderungen bei der Null-Serie führte letztlich dazu, daß die überaus günstigen Emissionswerte des modifizierten Prototyps mit dem Serienmodell nicht erreicht werden konnten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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Fazit

Im Rahmen eines abgeschlossenen Forschungsvorhabens wurde ein Kachelofen-Heizeinsatz als Unterbrandfeuerung entwickelt. Aufbauend auf diesen Arbeiten wurde der neuartige Unterbrand-Heizeinsatz als Prototyp weiterentwickelt und optimiert. Dieser Prototyp zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Entwicklungen durch niedrige Emissionen aus, die von der Brennstoffaufgabemenge oder von einer Leistungsregelung über die zugeführte Verbrennungsluftmenge nur wenig beeinflußt werden. Bei den Entwicklungsarbeiten mußten neben tech-nischen Aspekten auch die Anforderungen des Marktes berücksichtigt werden. Die durch wirtschaftliche Zwänge geprägten Änderungen des Prototyps bei der Umsetzung zum Serienmodell wirkten sich negativ auf das Emissionsverhalten des Heizeinsatzes aus. Verbesserungen sind hier nur möglich, wenn der Prototyp konsequent als Serienmodell umgesetzt wird. Dies ist bei der momentanen Marktsituation und dem derzeitigen erhöhten finanziellen Risiko bei der Markteinführung von Heizeinsätzen nicht möglich. Deshalb wurde das Vorhaben trotz der positiven Zwischenergebnisse aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nach der Anfertigung der Null-Serie und deren Überprüfung und teilweisen Überarbeitung abgeschlossen.