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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennwertbestimmung von Kohlenwasserstoffen während eines
Startvorganges in einem Gas-Heizsystem mit einem Wärmetauscher.
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Die
Versorgung mit Erdgas erfolgte früher nur durch einen einzelnen
oder einige wenige Anbieter, die ihr Erdgas meist aus wenigen Ursprungsländern mit
langfristigen Verträgen
bezogen. Durch mehr Wettbewerb auf dem Erdgasmarkt kann der Abnehmer
unter einer Vielzahl von Erdgasanbietern wählen, wobei die Anbieter ihrerseits
ihr Erdgas aus je nach Marktlage häufig wechselnden Ursprungsländern beziehen.
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Erdgas
besteht in der Regel zum überwiegenden
Teil aus Methan (95–99%).
Die restlichen Bestandteile sind andere Kohlenwasserstoffe, deren Anteil
und Art je nach Fördergebiet
variiert. Problematisch ist, dass der Brennwert des Erdgases mit seiner
jeweiligen Zusammensetzung variiert, was dazu führt, dass die für eine saubere
Verbrennung oder einen guten Wirkungsgrad zuzuführende Luftmenge entsprechend
angepasst werden müsste,
um z.B. wenig Kohlemonoxid oder Ruß bei dieser Verbrennung entstehen
zu lassen. Zum Dosieren der Luftmenge müsste also die jeweilige Erdgaszusammensetzung
oder der Brennwert des Erdgases bekannt sein.
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Die
Bestimmung des Brennwertes zur Optimierung der Verbrennung kann
prinzipiell durch eine Analyse des zu heizenden Brenngases oder
durch Analyse des bei der Verbrennung entstehenden Abgases erfolgen.
Beides ist zu aufwändig,
um beispielsweise in Kleinfeuerungsanlagen, wie sie zum Beheizen
von Häusern
Verwendung finden, eingesetzt zu werden. Doch kann durch eine Messung
der Sauerstoff- oder Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas mittels
halbleitender Hochtemperatur-Gassensoren auf der Basis von Galliumoxid
in Verbindung mit einer entsprechenden elektronischen Auswertung
die Luftzufuhr derart geregelt werden, dass die Verbrennung optimiert
ist. Nachteile dieser Sensoren sind ihre Querempfindlichkeiten zu
anderen Bestandteilen des Abgases, Vergiftungsmöglichkeiten des Sensormaterials
oder dessen Langzeitdrift sowie ein relativ hoher Servicebedarf
u.a.
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Ionisationssensoren,
die die Güte
der Verbrennung mittels der Detektion der Ionisation der Gase in
der Flamme messen, sind ebenfalls nicht praktikabel, da sie aufwändig und
technisch schwer zu beherrschen sind.
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Aus
der
DE 199 21 167
A1 ist ein System zur Messung des Brennwertes bzw. des
Wobbeindexes von Brenngas bekannt. Es wird über die Schallgeschwindigkeit
oder die Dichte des Brenngases sowie einer Infrarotabsorption der
Brennwert bzw. der Wobbeindex entsprechend abgeleitet.
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Ein
weiteres Verfahren zur Bestimmung des Brennwertes von Gasen wird
in der
DE 197 39 871 A1 beschrieben.
Dieses Verfahren betrifft insbesondere großtechnische Anlagen. Hier werden
insbesondere die Eingangsdaten eines Verbrennungsprozesses möglichst
genau vorgegeben und die bei der Verbrennung frei werdende, in den
Abgasen enthaltene Reaktionsenthalpie über einen Wärmetauscher an eine als Wärmeträger dienende
Kühlluft übertragen,
wobei der Temperaturanstieg der Kühlluft als Maß für den Brennwert
eines Gases herangezogen wird.
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Die
DE 100 31 674 A1 offenbart
ebenfalls ein Verfahren zur Brennwertbestimmung von Erdgas. Dies
beruht auf der absorptionsspektroskopischen Bestimmung von einzelnen
Erdgaskomponenten. Gemessen wird mit einem einzigen Laser bzw. einer Laserdiode,
die über
einen ausgewählten
Messbereich durchgestimmt wird, der über einer auswertbaren Spektrallinie
des Spektrums des ausgewählten Erdgasbestandteiles
liegt und wobei ein Absorptionseffekt erkennen lässt, ob diese Erdgaskomponente vorliegt
oder nicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur
Bestimmung des Brennwertes bzw. der Zusammensetzung von Kohlenwasserstoffen
bereit zu stellen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs
1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen können
den Unteransprüchen
entnommen werden.
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Methan
und Sauerstoff werden bei der Verbrennung umgesetzt zu Kohlendioxid
und Wasser. Bei der Verbrennung mit Luft bedeutet dies unter Zuhilfenahme
der chemischen Formeln: 8N2 + 2O2 + CH4 → CO2 + 2H2O + 8N2 2 Luft + Methan → 1 Kohlendioxid + 2 Wasserdampf +
8 Stickstoff
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Daraus
ablesbar ist, dass 11 Mol Gas bei der Reaktion beteiligt sind, wobei
2 Mol Wasserdampf anteilig enthalten sind. Dies bedeutet, dass der
Wasserdampfgehalt des Abgases 2/11 = 18,2% beträgt. Einem Wassergehalt von
18,2% entspricht laut physikalischer Tabelle ein Taupunkt von 60,4°C. Dieser verändert sich
zu niedrigeren Temperaturen, wenn statt reinem Me than zusätzlich wie
im Erdgas beispielsweise längerkettige
Kohlenwasserstoffe mitenthalten sind. Da ausgehend vom Methan mit
relativ niedrigem C/H-Verhältnis
unter Beteiligung langkettiger Kohlenwasserstoffe das C/H-Verhältnis ansteigt. Anders
ausgedrückt
sinkt der Wasserstoff bzw. Wasseranteil, wenn längerkettige Kohlenwasserstoffen beteiligt
sind.
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In
Heizungsanlagen wird das zu beheizende Wasser durch einen Wärmetauscher
geleitet, der durch die Flamme eines Brenners erwärmt wird. Beim
Start eines Gasbrenners schlägt
sich dabei ein Teil des durch die Verbrennung entstehenden Wasserdampfes
als Wasserfilm am Wärmetauscher
nieder, solange die Temperatur des Wärmetauschers unterhalb des
Taupunktes des Abgases liegt. Steigt die Temperatur des Wärmetauschers über die
Taupunkttemperatur an, so verdunstet das niedergeschlagene Wasser
wieder und entzieht dabei dem Abgas und auch dem Wärmetauscher
die zur Verdunstung nötige
Wärmemenge.
Dies führt
zur Kühlung
des Abgases der Heizungsanlage. Diese Kühlung wirkt solange, bis der
Wärmetauscher
komplett abgetrocknet ist. Dies kann durch eine einfache Messung
der Abgastemperatur nachgewiesen werden. Nach dem Start des Gasbrenners
steigt die Abgas-Temperaturkurve bis zur Taupunkt-Temperatur kontinuierlich
an, knickt dann zu einem Plateau ab, um nach vollständigem Trocknen
des Wärmetauschers
wieder anzusteigen. Dieses Plateau innerhalb der Temperatur/Zeitkurve
des Abgases entspricht dessen Taupunkt-Temperatur. Der Taupunkt-Temperatur lässt sich
ein bestimmter Wassergehalt zuordnen. Aus dem Wassergehalt des Abgases
kann wiederum auf die Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffen bzw.
auf das Kohlenstoff/Wasserstoff-Verhältnis zurückgeschlossen werden. Ausgehend
davon, dass ein Heizgas in der Regel eine Hauptkomponente aufweist,
beispielsweise Methan beim Erdgas, kann somit die Brennerregelung,
die anfänglich eventuell
auf Methan eingestellt ist, nach der exakten Ermittlung des Brennwertes
in die entsprechende Richtung nachgerichtet werden.
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Im
folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausführungsbeispiele
beschrieben:
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1 zeigt:
Temperatur des Abgases in Abhängigkeit
von der Zeit für
reines Methan bzw. Methan mit Beimischungen von längerkettigen
Alkanen,
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2 zeigt
die Temperaturkurve des Abgases in Abhängigkeit von der Zeit bei
- a) schnellem
- b) mittelschnellem
- c) langsamem Aufheizen,
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3 zeigt
den technischen Aufbau einer Heizungsanlage mit Magnetventil, und
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4 zeigt
den technischen Aufbau einer Heizungsanlage mit Mischventil zum
Abtrennen des zentralen Heizungskreislaufes zum schnellen Aufheizen
des Wärmetauschers
während
der Brennwertbestimmung.
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Die
Darstellung nach Figur zwei zeigt, dass bei einer hohen Aufheizgeschwindigkeit
des Wärmetauschers 2 sich
eine nur kurze, aber deutliche Änderung
der Kurvensteigung, also ein kleines Plateau, ausbildet. Bei langsameren
Aufheizgeschwindigkeiten bildet sich dieses Plateau vollständig aus.
Bei extrem kleinen Aufheizgeschwindigkeiten kann sich statt eines
plateauhaften verzögerten
Anstieges der Temperatur-Zeit-Kurve ein vorübergehender Rückgang der
Abgastemperatur einstellen.
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Der
sogenannte λ-Wert
gibt an, wie das Verhältnis
Heizgas zu Luft eingestellt ist. Die Verbrennung kann stöchiometrisch
sein oder im fetten oder mageren Bereich liegen. Ein sogenanntes
mageres Gemisch weist einen λ-Wert < 1 auf, was einem
Luft- oder Sauerstoffüberschuss
entspricht. Wird nun ein gewünschter λ-Wert beim
Start einer Heizungsanlage eingestellt, so muss der Brennwert des
Heizgases bekannt sein. Ausgehend davon, dass bei Erdgas in der
Regel der größte Bestandteil
Methan ist, kann der anfänglich
eingestellte λ-Wert
daran ausgerichtet werden. Die Hauptkomponente Methan (CH4) weist jedoch einen Anteil von 95–99% auf.
Die restlichen, sich zu 100 ergänzenden
Anteile können
Kohlenwasserstoffe unterschiedlichster Ausbildung sein. Die genaue
Brennwertbestimmung läuft
somit wie folgt ab:
- – beim Start der Heizungsanlage
wird die Temperatur des Heizgases über den Taupunkt an einem in
dem Heizungssystem befindlichen Wärmetauscher gesteigert.
- – eine
einfache Messung der Abgastemperatur und eine Auswertung der Temperatur-Zeit-Kurve des
Abgases erlaubt die genaue Bestimmung des Brennwertes. Zwischenstufen
dabei sind die Ermittlung der Taupunkt-Temperatur des Abgases am
anfänglich
kalten Wärmetauscher
durch Detektion der in den 1 und 2 dargestellten Plateaus. Über den
daraus erkennbaren Wassergehalt des Abgases lässt sich beispielsweise auf ein
bestimmtes Kohlenstoff/Wasserstoff-Verhältnis
der restlichen Erdgasanteile schließen.
- – der
ermittelte Brennwert ermöglicht
eine genaue λ-Wert-Einstellung. Somit
kann ein λ-Wert
durch Nachregelung der Luftzufuhr derart angepasst werden, dass
die Heizung umweltfreundlich arbeitet.
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Vorteile
sind, dass kein unnötiges
Kohlenmonoxid ausgestoßen
wird, wenn der λ-Wert
nicht im fetten oder zu weit im mageren Bereich liegt. Weiterhin
kann die Produktion von Ruß oder
Stickoxiden minimiert werden. Diese Vorteile sind insgesamt möglich ohne
aufwändige
Abgassensorik zu verwenden.
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Um
für die
Brennwertbestimmung nicht die Zentralheizung eines Hauses komplett
auf die Taupunkt-Temperatur hochheizen zu müssen, ist es zweckmäßig, die
Umwälzpumpe
abzuschalten oder mit einem Magnetventil 3 den Heizkreislauf 4 kurzzeitig
für den
Prüfzeitraum
wenige Minuten abzutrennen. Somit erwärmt der Brenner lediglich den
Wärmetauscher 2.
Bei Heizungsanla gen mit Mischventil 3 entsprechend 4 kann
in dieser Zeit die Zentralheizung bei konstanter Temperatur weiterlaufen, wenn
das Mischventil 3, bei steigender Temperatur im Abgas kontinuierlich
geregelt, geschlossen wird.