Kondensation ist Pflicht

Rücklauftemperaturen bei Brennwertgeräten weit unter Taupunkt planen

Aus welchem Grund steigt der Wirkungsgrad einer Brennwertkesselanlage bei Absenkung der Kesselrücklauftemperatur von 45°C auf 30°C von 100 auf 105% an? Der Wasserdampftaupunkt des Abgases liegt mit ca. 57°C doch in jedem Fall weit oberhalb der 45°C. Der kalte Rücklauf müsste mithin in beiden Fällen dem 58°C warmen Rauchgas die komplette Verdampfungswärme entziehen und dem Vorlauf zuführen - tut er aber nicht. Warum?

Es beginnt beim absoluten Nullpunkt

Lapidar heißt es in den gängigen Beschreibungen zur Brennwertnutzung: "Je kühler das Wasser ist, das zum Kessel zurückfließt, desto mehr Wärme kann den Abgasen entzogen werden und desto größer ist die Brennwertnutzung." Der Hintergrund ist die bekannte Tatsache, dass heißes Abgas - genauso wie heiße Luft - viel mehr Wasser festhalten kann als kaltes Abgas/kalte Luft. Die entscheidende Größe ist der Taupunkt. Der gibt für eine bestimmte Temperatur die abpufferbare Wassermenge an, die nicht auskondensiert, wenn Luft oder Rauchgas auf diesem Temperaturniveau bleiben.

Bild 1: h,x-Diagramm nach Molliere.

Taupunkt heißt also 100% relative Feuchte (r.F.), heißt Sättigung mit Wasser. Also fällt bei Kondensation nur der Überschuss jenseits der 100% r.F. aus. Lediglich die freigesetzte latente Energie dieses Quantums kommt bei Brennwertanlagen dem Kesselnutzungsgrad zugute. Erst beim absoluten Nullpunkt (-273°C) wäre alle Verdampfungsenergie aus dem Abgas genutzt. Nun nimmt die Luft mit steigender Temperatur Wasser überproportional auf. Die Sättigungslinie 100% r.F. im h,x-Diagramm gibt diese Verhältnisse wieder (Bild 1).

Blick ins Mollier-Diagramm

Raumluft kann bei 25°C bereits 20 g Wasser je Kilogramm Luft festhalten (100% r.F., Punkt 1). Bei 32°C bindet diese Atmosphäre maximal 30g Wasser (100% r.F., Punkt 2). Kühlt die Luft von 32°C auf 25°C ab, wird sie 10 g Wasser abstoßen. Erhitzte man die Luft wieder auf 32°C, betrüge die relative Luftfeuchte nur noch ca. 70% (Punkt 3).

Mit anderen Worten ausgedrückt: Sobald Luft oder Abgas weniger als 100% relative Feuchte enthält, kondensiert nichts aus. Die latente Energie (Verdampfungswärme), die alles Flüssige in Gasförmiges verwandelt, kann in einem Wärmetauscher (noch) nicht zurückgewonnen werden.

Bild 2: Wasserdampftaupunkttemperatur der Abgase einer Erdgasfeuerung bei verschiedenen Luftzahlen. (Bild: Ruhrgas AG)

Einflussfaktor Luftzahl

Im Abgas nehmen noch einige Faktoren mehr als nur die Temperatur Einfluss auf den Wasserdampftaupunkt. In allererster Linie ist das die Luftzahl. Sie gibt den Luftüberschuss bei der Verbrennung an. Ein moderner Vormischbrenner begnügt sich mit ca. 30% Luftüberschuss, sprich mit einer Luftzahl 1,3. Bei 1013 mbar Luftdruck und 50% r.F. stellt sich hier eine Taupunkttemperatur von 55°C ein. Bei 100% Luftüberschuss (Luftzahl 2), senkt sich dieser Wert bereits auf 47°C ab. Bild 2 gibt diesen Kurvenverlauf wieder und macht damit deutlich, dass man tunlichst Brenner mit möglichst niedriger Luftzahl einsetzen sollte, um generell hohe Taupunkttemperaturen zu erreichen. Denn sie garantieren selbst bei höheren Rücklauftemperaturen noch eine Teil-Brennwertnutzung.

Nach Bild 3 hängt die Kondenswassermenge - und demzufolge der Kesselwirkungsgrad - nicht nur vom Luftüberschuss, sondern auch von der Rücklauftemperatur ab. Wie weiter vorne beschrieben, hat das etwas mit dem Taupunkt nebst der relativen und der absoluten Feuchte zu tun. Basis im Diagramm ist eine Luftzahl von 1,1, also eine Taupunkttemperatur von etwa 57°C (Bild 2). Trotz der hohen Temperatur von 57°C fallen nach Bild 3 bei einer Rücklauftemperatur von 45°C nur etwa 30 g Kondenswasser je kWh an, und erst bei 20°C kondensieren 95% des kompletten Inhalts von rund 120 g aus. Bei 30°C Rücklauftemperatur sind es schon stattliche 105 g.

Der Wirkungsgrad muss mithin in ähnlicher Abhängigkeit zur Rücklauftemperatur stehen (Bild 3): Bei 45°C beträgt er 100 Prozent (bezogen auf den Heizwert Hi), bei 30°C sind es 105 Prozent.

Bild 3: Kondenswassermenge und Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur. (Bild: Ruhrgas AG)

Luft ähnlich Abgas

Abgas aus Gas-Brennwertfeuerstätten besteht zu 72% aus Stickstoff, 16% H₂O (Wasserdampf), 8% Kohlendioxid und 3% Sauerstoff O₂. Dafür gilt eine Taupunkttemperatur von 57°C. Steckten in den Verbrennungsrückständen mehr als 16% Wasserdampf (120 g/kWh, Bild 3), würde die Kondensation schon einige Wärmegrade höher beginnen. Und damit geringfügig latente Energie, sprich Verdampfungswärme, freisetzen. Ein paar Tropfen Kondensat genügen, und schon fällt die relative Feuchte von 100 auf 99%, damit der Taupunkt von 57 auf 56°C. Die Kondensation stoppt. Man müsste jetzt das Abgas um ein oder einige Grade abkühlen, um die relative Feuchte erneut auf über 100% anzuheben, um den Kondensationsprozess in Gang zu halten. Während nach Bild 3 eine Kesselrücklauftemperatur von 45°C lediglich 40 g/kWh Kondenswasser freisetzt, sind es bei einer Temperatur von 40°C immerhin schon 68 g/kWh. Und bei 30°C Rücklauftemperatur übergibt das Rauchgas den Großteil seiner Enthalpie in Form von 105 g Kondensat je Kilowattstunde an den Heizungsvorlauf.

Bild 4: Heizungsanlage mit Hoch- und Niedertemperaturkreis (70/50°C und 40/30°C). Der Mehrwege-Mischverteiler "Rendemix" zwischen RV1 und RV2 macht den Rücklauf der Radiatoren (R) zum Vorlauf der Fußbodenheizung (F) und sorgt so dafür, dass Wasser von nur 30°C zur Brennwerttherme zurückströmt. (Bild: H.G. Baunach)

Gewinn einer Planung, die nur kältestes Rücklaufwasser von ca. 30°C in den Kondensationswärmetauscher lenkt: Ein nach Bild 3 um 5 Prozent höherer Nutzungsgrad des Brennwertkessels gegenüber einem Heizkreis, das sich mit 45°C Rücklauf begnügt.

Hohe Kondensationsgewinne lassen sich selbst dann einfahren, wenn in einem Objekt Radiatoren und Fußbodenheizungen über zwei separate Heizkreise den Wärmebedarf decken. Da der Radiatorkreis üblicherweise mit höheren Temperaturen fährt als die Fußbodenheizung, würde die Kesselrücklauftemperatur angehoben und einen Teil der latenten Wärme verschenken. Der Mehrwege-Mischverteiler "Rendemix" von Baunach dagegen macht den Rücklauf des Hochtemperaturkreises zum Vorlauf des Niedertemperaturkreises (Bilder 4 und 5). Dadurch strömt Rücklaufwasser von 30 statt 42 oder 45°C zum Kessel zurück. Das bedeutet: beachtliche 5% mehr Nutzungsgrad.

Bild 5: Der Mehrwege-Mischverteiler "Rendemix" als Kompakt-Unit auf 45x45 cm bietet sich als Zweikreislösung für Anlagen bis 50 kW an.

Internetinformationen:
www.baunach.net

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