Projekt 12606/01

Entwicklung und Erprobung der Porenbrennertechnik für Ölbrenner

Projektdurchführung

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergLehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM)
Cauerstr. 4
91058 Erlangen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Wärmebedarf von Wohneinheiten nimmt, flankiert durch Vorgaben des Gesetzgebers, in Zukunft weiter ab. Parallel dazu werden die Grenzwerte für die maximal zulässigen Schadgasemissionen der Heizanlagen verschärft und die emissionsintensiven und im intermittierenden Betrieb bei Teillast sehr häufigen Start/ Stop-Betriebsphasen konventioneller Öl-Heizsysteme strenger bewertet. Ziel dieses Vorhabens ist es, die für die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe bereits erfolgreich demonstrierten Vorteile der Porenbrennertechnik (sehr niedrige Schadstoffemissionen, äußerst breiter Bereich der Leistungsmodulation bis 1:20, hohe Energiedichte und damit kleine Baugröße, minimale Geräuschemission) auch für die Verbrennung von Heizöl nutzbar zu machen. In Verbindung mit einem neuen Konzept für die Öl-Brennwerttechnik erschließt diese Technologie ein hohes Einsparpotenzial hinsichtlich Energieverbrauch und Schadstoffemissionen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf der Basis bestehender Ansätze und Labormuster für die Porenbrennertechnik mit flüssigen Brenn-stoffen wurde zunächst ein Gerätekonzept erarbeitet. Zur Verdampfung des Öls wurde ein Kalte-Flamme-Verdampfer speziell für die vorliegende Applikation konstruiert und mit der neuen emissionsar-men, kompakten Porenbrennertechnik kombiniert. Die Arbeiten bzgl. des Kalte-Flamme-Verdampfers konzentrierten sich einerseits auf die Zündung der kalten Flammen, die üblicherweise vorgewärmte Luft benötigen, deren externe Aufheizung energetisch ungünstig ist und andererseits auf die Vermeidung von Selbstzündungen im Verdampfer. Ein besonderer Schwerpunkt lag bei der Einstellung des optimalen Wärmehaushaltes des Brenner-Verdampfersystems sowie der Entwicklung neuartiger Keramiken, die den extremen Betriebsbedingungen standhalten können. Die Arbeiten am kombinierten Neutralisations-bad und Brennwertmodul konzentrierten sich auf die Einhaltung der vollständigen Neutralisation und Kondensation des Abgases. Die Realisierung einer hohen Leistungsmodulation von ca. 1:10 erwies sich von Anfang an als erreichbar. Aus diesem Grund wurden nicht, wie ursprünglich geplant, 2 Gerätegenerationen mit jeweils 3 Prototypen und einer Leistungsmodulation von jeweils 1:5 und 1:10, sondern insgesamt 4 Prototypen mit der vollen Leistungsmodulation von 1:10 realisiert. Als poröse Struktur wurde ein Al2O3-Porenkörper anstelle der im Projektplan vorgesehenen SiC-Keramik genutzt, weil sich die SiC-Keramiken zunächst als thermisch instabil erwiesen hatten. Der spätere Wechsel von der Al2O3-Brennraumkeramik auf den nach intensiver Optimierung eine sehr gute thermische Stabilität aufweisenden SiC-Porenkörper war nicht ohne Weiteres möglich, da das System äußerst empfindlich ge-genüber Veränderungen am Wärmehaushalt reagierte. Auf Grund der Verspätungen in der SiC-Keramikentwicklung und den anschließenden Schwierigkeiten bei der Anpassung des Wärmehaushaltes von Al2O3-Keramik auf SiC-Keramik war eine Verlängerung der Projektlaufzeit bis zum 31.08.2001 notwendig, um die Langzeittests noch durchführen zu können. Es entstanden dabei Mehrkosten in Höhe von ca. 140 TDM. Die Bundesstiftung Umwelt hat einen Teil der entstandenen Mehrkosten übernommen und eine Erhöhung der ursprünglichen Fördersumme von 800 TDM auf 870 TDM bewilligt.


Ergebnisse und Diskussion

Die wesentlichen Ziele des Projektes konnten erreicht werden: Es wurde ein hochmodulierendes System erstellt, das auf der Kombination der Kalte-Flamme-Verdampfung und der Porenbrennertechnik basiert. Ebenso wurden gute Emissionswerte erreicht, wobei die NOX-Emissionen durchaus noch Potenzial zur Verbesserung aufweisen. Alle gängigen Normen können jedoch erfüllt werden. Ein weiterer wichtiger Anspruch war die Brennwertnutzung über den gesamten Modulationsbereich, der mit dem speziell entwi-ckelten Wärmetauscher-Neutralisationsbad umgesetzt werden konnte. Durch die hohe Modulationsfähig-keit ergab sich eine zusätzliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Systemen hinsichtlich des Nutzungsgrades, da Abkühlverluste vermieden werden. Hieraus ergäbe sich bei Nutzung dieser Technik in der Heizungstechnik eine Verminderung des Ölressourcenverbrauches und somit eine geringere CO2-Freisetzung. Dies ist ein wesentlicher Punkt, da Brennwerttechnik in der Ölheiztechnik fast gar nicht ein-gesetzt wird. Ebenso zeigten sich die Komponenten, die auf Grund der Brennwertnutzung und des im Öl vorhandenen Schwefels einer höheren Belastung als in nicht kondensierenden Systemen ausgesetzt sind, keine Mängel nach den Dauertests. Da jedoch zurzeit darüber debattiert wird, ob der Schwefelgehalt in zukünftigen Heizölqualitäten erheblich reduziert wird, kann evtl. auf das Neutralisationsbad bei Zu-kunftsentwicklungen verzichtet werden.
Ebenfalls ist die Herstellung und die Qualität des Grundmaterials der SiC-Keramiken deutlich verbessert worden und entsprach in den vorläufigen Tests den gestellten Anforderungen. Als kritisch erwies sich je-doch der Aufbau des Systems in einer Ringgeometrie, da auf diese Weise eine sehr starke Kopplung der Wärmehaushalte von Brenner und Kalte-Flamme-Verdampfer entsteht. Nachdem die äußerst umfangreichen Anpassungsarbeiten der Flammensperre erfolgreich mit den Al2O3-Strukturen durchgeführt wurden, war der Wärmetransport in den Verdampfer bei dem Einsatz von Al2O3-Keramiken offensichtlich wesentlich geringer als bei den SiC-Strukturen, mit denen kein stabiler Betrieb erreicht werden konnte. Aus die-sem Grunde war es nicht möglich, die SiC-Strukturen im Dauerversuch zu testen. Aus den genannten Gründen liegt für zukünftige Arbeiten eine thermische Entkopplung der beiden Systeme nahe.
Außerdem zeigten die Al2O3-Keramiken auf Grund von Rissen in der Isolierung, dass noch Entwicklungen hinsichtlich der Keramik und der Isolierungsmethode notwendig sind. Diese Problematik würde sich aber ebenfalls entschärfen, wenn keine Ringgeometrie gewählt wird.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Heidermann, T., Keppler, M., Rutsche, A., Hatzfeld, O., Köhne, H., Lucka, K., Rudolphi, I., Trimis, D., Durst, F.; Der Ölporenbrenner für die Haushaltsfeuerung, VDI-Berichte Nr. 1492, 1999, S. 623 - 628. Vorgestellt auf dem Deutschen Flammentag 1999, ausgezeichnet mit der Wilhelm-Jost-Medaille der Deutschen Sektion des Combustion Institute

Trimis, D.; Stabilized Combustion in Porous Media - Applications of the Porous Burner Technology in Energy- and Heat-Engineering, AIAA 2000 - 2298, FLUIDS 2000 Conference and Exhibit, 2000 Denver, Colorado

Heidermann, T., Rutsche, A., Tanke, D., Hatzfeld, O., Köhne, H., Lucka, K., Rudolphi, I., Durst, F., Trimis, D., Wawrzinek, K.; The Porous Medium Oil Burner applied to a Household Heating System, 2nd European Conference on Small Burner and Heating Technology ECSBT2, Stuttgart, Germany, 2000

Trimis, D., Wawrzinek, K., Hatzfeld, O., Lucka, K., Rudolphi, I., Rutsche, A., Küchen, C., Krüger, K., Haase, F.; Hochmodulierender Ölporenbrenner mit Gemischbildung durch kalte Flammen, 3. Aachener Kollo-quium Heizwärme aus Ölverbrennung, Aachen, Deutschland, 2000

Trimis, D., Wawrzinek, K., Hatzfeld, O., Lucka, K., Rutsche, A., Haase, F., Küchen, C.; High modulation burner for liquid fuels based on porous media combustion and cool flame vaporization, Sixth International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment, Volume II, OPorto, Portugal, 2001, pp. 717 - 224

Trimis, D., Wawrzinek, K., Hatzfeld, O., Lucka, K., Rutsche, A., Haase, F., Krüger, K., Küchen, C.; A novel porous burner for liquid fuels based on porous media combustion and cool flame vaporization, Combustion and the Environment, Italian Section of the Combustion Institute, S. Margerita Ligure, 2001, pp. VI 31 - 34

IWO; Der Ölporenbrenner für die Haushaltsfeuerung, Messebroschüre des IWO auf der Intherm 2000 und ISH 2001

D. Trimis, D., Lucka, K.; Porenbrenner für flüssige Brennstoffe mit Gemischbildung durch kalte Flammen, VDI TGA Brennertagung 2002, Hannover.


Fazit

Obgleich noch ein erhebliches Optimierungspotenzial vorliegt, haben die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen gezeigt, dass sich das Ölporenbrennersystem insbesondere durch seine große Leistungsmodulationsweite, seine kompakte Bauart, die niedrigen Schallemissionen, seinen hohen energetischen Nutzungsgrad und durch sehr niedrige Schadstoffemissionen im modulierenden Betrieb auszeichnet, womit es signifikante Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bei Öl-brennerheizsystemen aufweist. Das entwickelte Gerät zeigt, dass die technologische und ökologische Lücke zwischen den weit entwickelten Erdgasheizsystemen und den veralteten Ölbrennerheizsystemen durch den Einsatz neuer Technologien geschlossen werden kann.