125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/1997, Seite 46 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Sicherheitstechnische Fragestellungen bei kleinen Ölbrennern

Dipl.-Ing. Friedrich Rick*

Durch die Anwendung neuer Techniken bei der Ölaufbereitung, der Öldosierung und der Brennstoff-/Luft-Verbundsteuerung im kleinen Leistungsbereich ergeben sich sicherheitstechnische Fragestellungen, die hier aufgeführt und diskutiert werden.

1. Allgemeines

Durch die neue Wärmeschutzverordnung wird der Wärmebedarf bei Neubauten nochmals um ca. 30% verringert. Für die zu bauenden oder auch zu renovierenden, mit neuem Wärmeschutz versehenen Ein- und Zweifamilienhäuser mit einer Wohnfläche von 100 bis 160 m2 ist damit von einem Nennwärmebedarf von unter 10 kW auszugehen. Diese Wärmeleistung wird allerdings nur an den kältesten Heiztagen (-10 bis -12C Außentemperatur) benötigt. Für weite Strecken im Bereich der mittleren Außentemperatur einer Heizperiode (+ 6 bis + 7C) sind Heizleistungen unter 6 kW ausreichend. Im Bereich der Heizgrenze (15C Außentemperatur) reichen 1 bis 2 kW Heizleistung. Demgegenüber steht der kurzzeitig erforderliche Wärmebedarf zur Erzeugung von warmem Brauchwasser im Bereich von 18 bis 22 kW bei klein dimensionierten Warmwasserspeichern oder Durchlauferhitzern.

Tabelle 1: Leistungsanforderungen an kleine Ölbrenner

 

Brennerleistung

Heizöldurchsatz

[kW]

[%]

[kg/h]

maximale Wärmeleistung zur Brauchwasserbereitung

20 bis 22

100

1,7 bis 1,9

maximale Wärmeleistung zur Raumheizung

10 bis 12

50

0,8 bis 1

mittlere Wärmeleistung zur Raumheizung

4 bis 6

20 bis 30

0,3 bis 0,5

Wärmeleistung an der Heizgrenze

1 bis 2

5 bis 10

0,1 bis 0,2

2. Anforderungen an kleine Ölbrenner

Für neue Heizungsanlagen müssen die Anforderungen an Brenner und Kessel aufgrund des veränderten Leistungsspektrums neu definiert werden (Tabelle 1).

Da bisher der Nennwärmebedarf und die für die Brauchwassererwärmung benötigte Leistung in derselben Größenordnung lagen, ergaben sich keine derart hohen Anforderungen an den Regelbereich. Heizkessel und Ölbrenner wurden auf die maximale Wärmeanforderung ausgelegt, ein geringerer Leistungsbedarf wurde durch eine Zweipunktregelung (Ein- und Ausschaltung des Brenners) angepaßt.

Der vergrößerte Leistungsbereich verlangt die mehrstufige oder stufenlose Regelung der Wärmezufuhr, da bei einer Zweipunktregelung lange Stillstandszeiten und häufige Starts die Energie- und Umweltbilanz negativ beeinflussen würden.

3. Dosierung und Zerstäubung für kleine Ölbrenner

Im Unterschied zu Gasbrennern ist das zentrale Problem aller Entwicklungen im Ölbrennerbereich die dosierte Zuführung und mechanische Aufbereitung (Zerstäubung) des Ölmassenstromes. Konventionell werden Öldruckzerstäuber eingesetzt. Der Ölmassenstrom (Dosierung) wird durch den Öldruck und die Düsengröße bestimmt. Die Zerstäube- und Mischenergie liefert der hohe Öldruck (10 bis 18 bar) an der Düse. Mit diesen Systemen können heute Leistungen bis hinunter auf etwa 1,1 kg/h Öldurchsatz (entsprechend ca. 13 kW) realisiert werden. In diesem Fall würde der Brenner mit einer Düse mit Nenndurchsatz 0,4 gal/h bestückt und mit einem Öldruck von ca. 9 bar und Ölvorwärmer betrieben. Eine weitere Leistungsreduzierung durch Druckabsenkung ist kaum mehr möglich, da die Zerstäubegüte zunehmend schlechter würde. Außerdem ist die quadratische Abhängigkeit des Durchflusses vom Zerstäubedruck zu beachten: eine Halbierung des Druckes reduziert den Durchfluß von 100% auf ca. 70%. Auch eine Verkleinerung der Düsen ist nicht mehr praktikabel. Im Öl immer vorhandene Verschmutzungen und auch feste Abscheidungen aus der Verbrennung, die sich an der Düse absetzen, verbieten kleinere Düsenbohrungen.

Tabelle 2: Prinzipien von Zerstäubungsbrennern

Zerstäubungsart

Einstellung des Öldurchsatzes mittels

Betriebsart

Leistungsbereich bisher

System

druckluft unterstützt

Öldruck

ein- und zweistufig

7 bis 16 kW
(0,6 bis 1,4 kg/h)

Satronic

Öldruck

Pulsationspumpe Frequenz 50 Hz

ein- und zweistufig

8 bis 19 kW
(0,7 bis 1,6 kg/h)

Elco, Danfoss

Rücklaufdüse

Rücklaufdruck

modulierend

5 bis 16 kW
(0,4 bis 1,4 kg/h)

Prof. Köhne, Aachen

Druckluft

drehzahlgeregelte Zahnrad-
dosierpumpe

modulierend

0,4 bis 1,4 kW
(0,03 bis 0,1 kg/h)

Elco

Druckluft

Dosierventil mit Pulsweiten-
modulation

modulierend

0,4 bis 1,4 kW
(0,03 bis 0,1 kg/h)

Elco

Vorverdampfung

Dosierventil

modulierend

k.A.

Prof. Eisfeld, Kaiserslautern

Neue Systeme für die Zerstäubung entkoppeln daher die Dosierung des Ölmassenstromes von der Zufuhr der Zerstäube- und Mischenergie. Einige der bisher bekanntgewordenen Bauarten, die entweder schon auf dem Markt verfügbar sind, oder von denen Prototypen bereits gebaut und ausgestellt wurden, zeigt Tabelle 2.

4. Brennstoff/Luft-Verhältnisregelung

Für die Zerstäubung und Regelung des Öldurchsatzes scheinen also praktikable Lösungen zu existieren. Aber zur Öldosierung, die sich dem jeweiligen Wärmebedarf anzupassen hat, gehört auch die verhältnisrichtige Zuleitung der Verbrennungsluft. Konventionell wird der Luftvolumenstrom bei konstanter Gebläsedrehzahl durch Drosselung an Klappen und Blenden eingestellt. Die bei größeren Brennern schon länger angewandte lastabhängige Drehzahlregelung des Gebläses, eventuell mit zusätzlicher Steuerung von Drosselorganen, scheint auch bei den hier betrachteten Kleinbrennern eine sinnvolle und durch die Verbesserung der Elektronik eine kostengünstige Alternative zu werden.

Eine Steuerung des Brennstoff-/Luft-Verbundes durch mechanische Koppelung der Stellglieder wird zunehmend durch einen offenen elektronischen Verbund abgelöst, bei dem die lastabhängig veränderlichen Positionen der Stellglieder für Öl und Luft in der Elektronik gespeichert und getrennt angesteuert werden. Korrekturfunktionen zur Kompensation von Störeinflüssen lassen sich zusätzlich einarbeiten.

Für alle Systeme der Brennstoff-/Luft-Verhältnisregelung besteht bei den hier betrachteten Brennergrößen allerdings das Problem, daß der jeweils aufgrund der veränderlichen Wärmeanforderung eingestellte Ölstrom unbekannt ist, d.h. nicht gemessen wird und nur mittelbar, durch die Vorgaben der Leistungsregelung, als bekannt vorausgesetzt wird.

5. Verbrennungssteuerung

Bei den bisher bekannten, kleinen Ölbrennern wird zunehmend aus Gründen der Schadstoffreduzierung das Öl vor der eigentlichen Verbrennung verdampft. Die Verbrennung erfolgt daher aus der Gasphase, praktisch ohne Festkörperstrahlung, mit blauem Flammenbild und entsprechendem Strahlungsverhalten. Die Vorverdampfung wird in der Regel durch die Wärme zurückgesaugter heißer Abgase aus der Ausbrandzone ausgelöst. Dabei wirkt der aus der Brennermündung mit hoher Geschwindigkeit austretende Verbrennungsluftstrom wie eine Strahlpumpe.

6. Sicherheitstechnische Fragestellungen

Nach dem hier kurz skizzierten technischen Profil kleiner Ölbrenner sollen die daraus resultierenden sicherheitstechnischen Fragestellungen formuliert werden. Die grundlegenden Anforderungen an die sichere Absperrung der Ölzufuhr und die Entfernung eventuell zündfähiger Gemische im Feuerraum vor Brennerstart durch Vorbelüftung, gelten natürlich auch für Brenner kleiner Leistung.

Spezielle Probleme bei kleinen Ölbrennern entstehen vorwiegend in folgenden Bereichen, für die Anforderungen, abgeleitet aus der anzuwendenden Norm DIN EN 267 [1], formuliert werden sollen. Die Ölzufuhr darf nicht freigegeben werden und muß selbsttätig unmittelbar unterbrochen werden, wenn

Detaillierte Anforderungen an die Ausführung des Brennstoff-/Luft-Verbundes enthält die zitierte Norm nicht, im Gegensatz zu ausführlichen Bestimmungen für Gasgebläsebrenner in DIN EN 676 [2]. Das Gefährdungspotential durch ein fehlerhaftes Brennstoff-/Luft-Verhältnis ist jedoch vergleichbar und soll hier auch betrachtet werden.

6.1 Sicherung der Zerstäubung

Erfolgt die Zerstäubung konventionell durch den Öldruck und wird die Funktion der Dosierung durch eine Pulsation des Ölstromes vorgenommen, muß entweder ein Öldruckwächter oder eine federbelastete Schnellschlußvorrichtung (Abschneideventil) zur Überwachung der Zerstäubefähigkeit vorhanden sein. Bei Ölzerstäubern mit Rücklaufleitung zum Tank könnte auch der maximale Ölrücklaufdruck überwacht werden. Ist für eine einwandfreie Zerstäubung eine Ölvorwärmung vorgesehen und notwendig, ist die hierzu erforderliche Mindesttemperatur zu überwachen.

Bei Systemen mit Druckluftzerstäubung muß die Druckluft mit ausreichendem Druck und Volumenstrom vor Brennerstart anstehen. Bei Ausfall des Zerstäubemediums muß der Brenner abgeschaltet werden. Da diese Störung bei den hier betrachteten Brennern immer interne Gründe hat (Versagen eines Bauteiles), sollte sie als solche signalisiert sowie der Brenner abgeschaltet und verriegelt werden. Die notwendigen Betriebsparameter der Zerstäubeluft können durch Drucksensoren überwacht werden. Zulässig wäre sicher auch hier, in Analogie zur Einwellenmontage, die formschlüssige mechanische Koppelung des Verdichters mit dem Antrieb für die Ölpumpe. Zusätzlich wäre hier aber die ausreichende Zuverlässigkeit des Verdichters nachzuweisen, insbesondere für Bauteile, die dem Verschleiß unterliegen wie Membranen oder Ventile.

Für Systeme, die mit einer thermischen Aufbereitung (Vorverdampfung) arbeiten, ist einerseits festzustellen, ob die Vorverdampfung in allen Betriebsfällen gesichert ist und andererseits zu prüfen, was bei einer Störung der Verdampfung passieren kann. Hilfseinrichtungen, die Fremdenergie zur Verdampfung liefern, müssen in ihrer Funktion überwacht werden. Falls nachgewiesen werden kann, daß eine sichere Verbrennung auch ohne Vorverdampfung stattfindet, d.h. die Vorverdampfung nur zur Schadstoffreduzierung über das nach den geltenden Richtlinien erforderliche Maß dient, kann auf eine Überwachung verzichtet werden.

6.2 Sicherung der Verbrennungsluftversorgung

Die Ölzufuhr darf nicht freigegeben werden und muß bei laufendem Betrieb unterbrochen werden, wenn die Verbrennungsluft nicht zur Verfügung steht. Für konventionelle Brenner wird dies in der Regel durch die Einwellenmontage - formschlüssige Montage von Motor, Ölpumpe und Luftfördereinrichtung an einer Welle - abgesichert. Bei dieser festen mechanischen Koppelung schließt man den Bruch der Welle und Wellenverbindungen aus. Wenn der Motor läuft, ist immer Öl und Luft gleichzeitig vorhanden.

Falls dieser Verbund nicht mehr besteht, und dies ist bei komplexeren Dosiereinrichtungen für Luft und Öl der Fall, muß der Gebläseanlauf überwacht werden. Im einfachsten Fall, bei Gebläsen mit konstanter, netzfrequenzabhängiger Drehzahl, ist nur ein Drucksensor notwendig, der bei überschreiten eines Mindestluftdruckes den Brennerstart freigibt. Wenn das Gebläse anläuft, wird angenommen, daß es auch mit der erforderlichen Drehzahl arbeitet.

Wird eine Drehzahlregelung verwendet, genügt die Kontrolle des Gebläseanlaufes nicht mehr. Das Erreichen der Solldrehzahl muß überwacht und als Kriterium für die Freigabe der Ölzufuhr gewertet werden.

Ein Verschließen der Luftansaugöffnungen durch äußere Einwirkungen wird auch nach der gegenwärtigen Normenlage nicht ausdrücklich überwacht. Bei der Einwellenmontage erfolgt überhaupt keine vorbeugende Reaktion, bei Überwachung mittels Druckschalter nur bei sehr starker Drosselung.

6.3 Sicherung der richtigen Öldosierung

Die richtige Einstellung der zur Befriedigung des aktuellen Wärmebedarfes notwendigen Brennstoffleistung ist kein sicherheitstechnisches Problem, da bei falscher Zuordnung entweder die geforderte Wärme nicht geliefert wird oder der Kesselthermostat vorzeitig abschaltet. Übersteigt allerdings die einstellbare Brennerleistung die maximal zulässige Kesselleistung, muß für eine sichere Fixierung der maximal möglichen Ölleistung gesorgt werden. Dies kann mechanisch durch Blockierung von Drosseleinrichtungen oder je nach Bauart auch elektronisch geschehen. Kann bei einer elektronischen Leistungsbegrenzung im Fehlerfalle eine über der zulässigen Kesselleistung liegende Brennerleistung angefahren werden, muß auch die bei der Inbetriebnahme festgelegte maximale Leistung überwacht werden können.

6.4 Sicherung des Brennstoff-/Luft-Verhältnisses

Aus der Leistungssteuerung erhält der Brenner die Vorgabe zur Einstellung des Ölmassenstromes. Bei mechanischem Verbund wird die Luftstelleinrichtung gleichsinnig und durch die bei der Inbetriebnahme fixierte Einstellung auch verhältnisrichtig mit verstellt, es wird diesbezüglich ein Fehlerausschluß vorgenommen.

Bei dem in Zukunft zu betrachtenden offenen elektronischen Verbund erhält die Luftstelleinrichtung einen von der Elektronik berechneten Stellbefehl. Zur Sicherung des richtigen Brennstoff-/Luft-Verhältnisses ist eine Analyse der möglichen systemabhängigen Fehler, der Folgen und der Fehlererkennung bzw. des Fehlerausschlusses durchzuführen.

Bei der Fehleranalyse sollte folgenden Fragen Beachtung geschenkt werden:

Welcher Ölmassenstrom gelangt wirklich zur Verbrennung?

Bei modulierenden Brennern reicht es nicht aus, nur das Stellsignal für die Öldosiereinrichtung zu überwachen. Es muß gesichert sein, daß die gewünschte Ölleistung, die Grundlage für die Berechnung der Luftzufuhr ist, auch tatsächlich erreicht wird. Eine geringfügige Unterschreitung ist in der Regel sicherheitstechnisch ohne Belang, Über- und starke Unterschreitungen führen jedoch zu Ruß- und CO-Bildung und zur Destabilisierung der Flamme. Beim offenen Verbund muß daher die Überwachung plausibler Größen, für die ein Fehlerausschluß gemacht werden kann, vorgenommen werden. Wird z.B. eine Zahnradpumpe als Dosiereinrichtung verwendet, kann die Drehzahl dieser Pumpe überwacht werden.

Welcher Luftvolumenstrom steht wirklich zur Verfügung?

Da bei kleinen Brennern eine Messung des Luftvolumenstromes ausscheidet, sind auch hier wieder "sichere Indikatoren" für die tatsächlich in die Verbrennung geförderte Luft zu überwachen:

6.5 Begrenzung des Einflusses von Störgrößen

Bei dem indirekten Nachweis der Stoffströme durch "sichere Indikatoren" können sich Änderungen der Stoffeigenschaften beim Öl (Heizwert, Viskosität, Dichte) und der Zustandsgrößen der Luft störend bemerkbar machen. Die hierdurch entstehenden Unsicherheiten bei der Ermittlung der Stoffströme müssen letzten Endes durch einen höheren sicherheitstechnischen Luftüberschuß aufgefangen werden. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades und auch zur Schadstoffreduzierung wird aber eine Betriebsweise mit möglichst geringem Luftüberschuß angestrebt.

Das aktuelle Brennstoff-/Luft-Verhältnis kann aber durch die schon aus dem Großbrennerbau bekannte Messung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas ermittelt werden. Durch Vergleich mit einem in der Elektronik abgelegten lastabhängigen Sollwert kann ein korrigierendes Stellsignal auf die Luft- oder Ölzufuhr gegeben werden.

Als Beispiel sei hier die Korrektur der Gebläsedrehzahl genannt: Zunächst wird die aufgrund der Ölleistung theoretisch erforderliche Drehzahl - einer bestimmten Luftförderung entsprechend - eingestellt. Durch Messung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas wird der tatsächliche Luftüberschuß errechnet und mit dem Sollwert verglichen. Bei Abweichung wird ein Regelvorgang ausgelöst, der die Drehzahl des Gebläses solange verändert, bis der geförderte Luftvolumenstrom dem gewünschten Sollwert für den Luftüberschuß entspricht. Da die hierzu notwendigen Meß- und Rechenvorgänge in der Regel nicht als fehlersicher anzusehen sind, muß der Einfluß dieser "Störgrößenkorrektur" begrenzt werden. In unserem Beispiel darf die mögliche Änderung der Drehzahl ein bestimmtes Maß nicht übersteigen. Die maximale Bandbreite der Korrektur ergibt sich aus der Forderung, daß die sichere Funktion des Brenners auch bei maximal falscher Störgrößenkorrektur nachgewiesen werden muß.

6.6 Flammenüberwachung

Auf Grund der Anwendung einer neuen Verbrennungstechnologie kann die konventionelle Überwachung der Flamme durch Strahlungsfühler (Licht, Infrarot, Ultraviolett) nicht mehr mit ausreichender Sicherheit möglich sein. Hier müssen gleichwertige, d.h. vor allem schnelle Indikatoren für die Existenz der Verbrennung gefunden werden. Das bestehende Regelwerk für die Flammenüberwachung muß hier sinngemäß beachtet werden.

7. Fehlerbetrachtung, Fehlersicherheit

Zum Schluß sei hier daran erinnert, daß sich als Hilfe bei der systematischen Fehlerbetrachtung DIN/ VDE 0116 anbietet. Wenn auch die Anforderungen im Hinblick auf größere Anlagen mit höherem Gefährdungspotential formuliert wurden, ist ein systematisches Vorgehen nach diesem Schema auch bei der Entwicklung von kleinen Brennern vorteilhaft.

8. Zusammenfassung

Durch die Neufassung der Wärmeschutzverordnung und des Bundesimmissionsschutzgesetzes werden in Zukunft die zu installierenden Heizleistungen in Ein- und Zweifamilienhäusern weiter reduziert werden können. Hierdurch wird eine Leistungsgröße von unter 20 kW erreicht, für die die konventionelle Technik der Heizölzuführung und Aufbereitung (Hochdruckzerstäubung) keine ausreichende Lösung mehr bietet. Zusätzlich besteht die Forderung nach Regelbarkeit des Brennstoffstromes, um die Wärmeerzeugung dem aktuellen Wärmebedarf anzupassen. Dazu werden modulierende Brenner entwickelt, mit denen Öldurchsätze von 0,5 - 2 kg/h (6 bis 24 kW) realisiert werden können.

Bei der Komplexität der sicherheitstechnischen Fragestellung - gerade auch im Kleinbrennerbereich - und bei dem Problem, die allgemeinen Sicherheitsziele der Richtlinien in konkrete technische Anforderungen umzusetzen, bleibt nach unserer Ansicht die Prüfung eines Brenners am Baumuster durch eine neutrale kompetente Prüfstelle weiterhin wichtig. Nur so wird der gegenwärtige hohe Stand der Sicherheit in der Heiztechnik erhalten.


* Dipl.-Ing. Friedrich Rick ist Mitarbeiter des TÜV Rheinland Sicherheit und Umweltschutz GmbH, Köln


L i t e r a t u r :

[1] DIN EN 267, Entwurf: Ölbrenner mit Gebläse.

[2] DIN EN 676, Entwurf: Gasbrenner mit Gebläse.

[3] Wintrich, T.; Kleine Jäger, F.; Köhne, H.: Realisierung eines geregelten, modulierenden Ölbrenners im Bereich von 5 bis 15 kW. Wärmetechnik 3 und 4/1996.

[4] Bohmann, D.: Modulierende Ölverbrennung in kleinen Leistungsbereichen. Report, September 1995.

[5] Bohmann, D.: Energieeinsparung und Schadstoffreduzierung mit modulierenden Wärmeerzeugern. VDI-Berichte Nr. 1205, 1995.

[6] ELCO Energiesysteme: Betriebsanleitungen für Leichtölbrenner Low Nox. ELCO press 1/96, ELCO-Energiesysteme AG, Zürich.


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