Abscheidung von verflüssigten Rauchgasbestandteilen, insbesondere Wasser
Bei der Verbrennung von Stoffen, in denen Wasserstoff chemisch gebunden ist (z. B. Methan) oder Feuchtigkeit enthalten ist (z. B. feuchtes Holz) wird Wasser freigesetzt, das bei Unterschreitung des Taupunktes kondensiert und in der flüssigen Phase anfällt. Weitere Kondensate wie längerkettige organische Verbindungen können sich infolge einer unvollständigen Verbrennung bilden. Schwefelbestandteile im Rauchgas können in Verbindung mit dem Wasserkondensat Säuren (Kohlensäure, Salpetersäure, schwefelige bzw. Schwefelsäure) bilden.
Soweit der Wärmeträger, der bei der Verbrennung erhitzt wird, eine Vorlauftemperatur unterhalb des Taupunktes aufweist, kann die Kondensationsenthalpie genutzt werden, um den Wärmeträger oder die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Für die Wärmeübertragung werden Abgaswärmetauscher und im zweiten Fall Luftvorwärmer 'LuVo' verwendet. Durch die Nutzung der Kondensationsenthalpie der Rauchgasbestandteile reduziert sich der Brennstoffeinsatz und damit auch Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO2), da der Wirkungsgrad der Verbrennung steigt. Während bei der Verbrennung mit hoher Abgastemperatur nur der Heizwert des Brennstoffes ausgenutzt wird, kann bei der Rauchgaskondensation im Grenzfall einer vollständigen Kondensation der Brennwert des Brennstoffes ausgenutzt werden.
Das entstehende Kondensat reagiert je nach Inhaltsstoffen im Rauchgas (Schwefeldioxid, Stickoxide, Kohlensäure, Salzsäuregas) mehr oder weniger sauer und muss gegebenenfalls neutralisiert und über eine Kondensathebeanlage abgeführt werden.
Beim Einsatz der Brennstoffe Erdgas und Heizöl wird in Heizkesseln nach dem Stand der Technik die Rauchgaskondensation angewandt, um das Heizungswasser aus dem Rücklauf vorzuwärmen. Solche Heizkessel werden als Brennwertkessel bezeichnet. Da der Wirkungsgrad der Kessel in der Regel auf den Heizwert bezogen ist, können Brennwertkessel Wirkungsgrade von über 100 % erreichen.
Bei der meist unvollständig ablaufenden Verbrennung von Biomasse (beispielsweise bei Stückholz-Heizungen, Pelletsheizungen, u. a. m.) sowie von Kohle und brennbaren Abfällen scheiden sich bei Abkühlung des Rauchgases Glanzruß, Flugasche, Flugstaub, Holzteer oder Teer und gegebenenfalls unverbrannte Kohlenwasserstoffe ab. Diese verunreinigen die Oberflächen des Wärmeübertragers und führen zu festen Belägen in dem Schornstein. Darum werden beispielsweise Kaminöfen und Kachelöfen ohne Rauchgaskondensationsanlage mit Abgastemperaturen größer 120 °C betrieben.
Abkühlung unter den Taupunkt Die Taupunkttemperatur kondensierbarer Bestandteile in Rauchgasen wird als RauchgastaupunktLueger: Lexikon der Technik. Band 17, S. 223. bezeichnet. Rauchgas ohne Ruß und flüssiges Wasser (Nebeltröpfchen) wird (nach DIN EN 1443) als „Abgas“ bezeichnet (im üblichen Sprachgebrauch wird das aus jeglichen Verbrennungsprozessen stammende Gas auch unbekannter Zusammensetzung generell und unspezifisch als „Abgas“ bezeichnet). Der zugehörige Taupunkt wird Abgastaupunkt genannt.
Weisen Gemische (beispielsweise von Kohlenwasserstoffen) in Mehrkomponentensystemen einen Siedepunktbereich (knapp nebeneinanderliegende Siedepunkte, kein „klassischer Siedebereich“ zeotroper Gemische) oder Kondensationspunktbereich auf, so kann für diese auch nur ein Taupunktbereich gemessen werden. mini|hochkant|Versottung durch Rauchgaskondensation.
Wird der Rauchgastaupunkt in Feuerungsanlagen und Kaminen (Schornsteinen) unterschritten, so müssen die Bauteile, die mit dem Kondensat benetzt werden, entsprechend flüssigkeitsdicht und korrosionsfest sein, bei Wasserdampfkondensation ohne Mineralsäuren zumindest gegenüber Kohlensäure.
Kühlt Rauchgas in einem Kamin aus nicht flüssigkeitsdichtem Mauerwerk unter den Taupunkt ab, führt die Nässe zur Versottung des Kamins und damit zur Zerstörung des Mauerwerks. Davor schützt ein in den Kaminschacht eingezogenes Abgasrohr aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoffen (Polypropylen, PTFE, PVDF) oder bei Neubauten Kaminzüge aus versinterter oder glasierter Keramik.
Der Taupunkt von Säuren in Rauchgas heißt Säuretaupunkt. Der Säuretaupunkt schwefelhaltiger Brennstoffe liegt im Bereich 120 bis 150 °C, der Wasserdampftaupunkt mit 45 bis 75 °C weit darunter. Speziell für Schwefelsäure heißt er Schwefelsäuretaupunkt. Zur Abgrenzung von diesen wird der Taupunkt von Wasserdampf als Wasserdampftaupunkt bezeichnet.
Energieeffizienz Bei der Verbrennung von Heizöl liegt der Wasserdampftaupunkt im Rauchgas bei ca. 48 °C, bei der Verbrennung von Erdgas (wegen dessen höheren Wasserstoffgehalts) bei ca. 59 °C. Daraus folgt, dass Brennwertkessel bei der Verbrennung von Erdgas mit höheren Rücklauftemperaturen betrieben werden können als bei Heizöl und trotzdem der Taupunkt unterschritten wird. Ebenso kondensiert bei Abkühlung des Rauchgases auf ca. 48 °C bereits Wasserdampf aus Erdgas-Rauchgasen aus, wofür bei Heizöl-Rauchgas eine weitere Abkühlung nötig ist. Angaben, durch die Nutzung des Brennwerts könnten 6 Prozent (bei Heizöl) bis 11 Prozent (bei Erdgas) der Heizkosten (gegenüber einem bestehenden Tieftemperatur-Heizkessel mit ca. 140 °C Abgastemperatur) eingespart werden, sind eher Maximalwerte theoretischer Natur. Bei Optimierung der Vorlauftemperatur durch einen hydraulischen Abgleich der Heizkörper ist eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 4 bis 5 % realistisch gegenüber dem Wirkungsgrad eines Niedertemperaturkessel. + Kesselwirkungsgrad bei unterschiedlichen Abgastemperaturen Abgastemperatur Wasserstoff Erdgas H Heizöl EL 140 °C 95,2 94,5 94,7 100 °C 96,9 96,4 96,6 50 °C 102,5 99,3 98,9 35 °C 104,3 100.7 99,9 Die Werte sind auf den Heizwert der Brennstoffe bei vollständiger Verbrennung und einer Brennstoff- und Lufttemperaturen von 25 °C bezogen, Luftzahl λ = 1,1; keine Verluste durch Wärmestrahlung- oder Konvektion zur Umgebung.
Ob ein Brennwertheizkessel oder eine Rauchgaskondensationsanlage optimal arbeiten, kann ausschließlich über die Menge des erzeugten Kondensats ermittelt werden. Für die Verbrennung von einem Liter Heizöl werden maximal ca. 0,9 Liter Kondensat kalkuliert,Fachbegriffe einfach und verständlich erklärt:Brennwerttechnik für einen Kubikmeter Erdgas maximal ca. 1,63 Liter. Da diese 900 ml Kondensat ca. 6 % Energieersparnis entsprechen, kann daraus der Wirkungsgrad errechnet werden: 900 ml : 6 = 150 ml. Ca. 150 ml Kondensat einer Ölbrennwertheizung entsprechen daher ca. 1 % Brennwertnutzen, was auch in etwa für Erdgas gilt. Ausgehend vom herstellerseitig angegebenen Gerätewirkungsgrad kann dann der ungefähre tatsächliche Wirkungsgrad ermittelt werden.
Alle in der Literatur mit „ca.“ versehenen Angaben sind ungefähre Angaben die ebenso ungefähre Rechenresultate liefern, Ursache dafür ist, dass Heizöl und Erdgas eine variable Zusammensetzung aufweisen und daher exakte Werte nicht möglich sind. Details liefert nur die Heizwert- und Brennwertangabe des Brennstofflieferanten. Da diese Angaben meist auf 0 °C bezogen sind, kann man sich mithilfe der Kondensationsenthalpie von Wasser (bei 0 °C gleich 2676 kJ/kg) ausrechnen, wie viel Kondensat reines Wasser theoretisch anfallen könnte.
Bei Abkühlung von Abgasen unter den Taupunkt bleibt das Abgas – trotz Abscheidung von Kondensat – weiterhin zu 100 % mit Wasserdampf und sonstigen Kondensaten gesättigt (mit einem dann geringeren Anteil an Absoluter Feuchte). Das Abgas wird zwar dadurch „trockener“, aber nicht unbedingt vollständig trocken. Ein hoher Taupunkt (bei Erdgasverbrennung) erlaubt zur Kühlung hohe Rücklauftemperaturen, trotzdem wäre durch tiefere Abkühlung noch eine Vergrößerung der Kondensatmenge und dadurch Steigerung der Energieausbeute möglich.
Das Rauchgas kann maximal auf die Temperatur des kältesten Mediums im gesamten Wärmeübertragungsprozess heruntergekühlt werden: bei Warmwassererzeugung die Temperatur des Trinkwasserzulaufs (ca. 8 °C) (sofern keine Rücklaufanhebung eingebaut ist, bei der der Wärmeübertrager nie mit kaltem Wasser beaufschlagt wird) beim Nachheizen oder Wiederaufheizen des Inhalts eines Warmwasser-Speicherkessels die Temperatur des Warmwassers (die je nach Temperaturzone des Speichers, die gerade wiederaufgeheizt wird, zwischen der Kaltwassertemperatur und der Heißwassertemperatur gleitend variiert) bei aktiver Heizwasserumwälzung die Temperatur des Heizungsrücklaufs beim Nachheizen eines Heizungspufferspeichers die jeweilige Temperatur des Speicherwassers (die je nach Temperaturzone des Speichers, die gerade wiederaufgeheizt wird, zwischen der Rücklauftemperatur der Heizung und der maximalen Betriebstemperatur des Speichers gleitend variiert) bei installierter Luftvorwärmung die Temperatur der angesaugten Frischluft
Je nach Leistung des Heizkessels kann dieser Kaltwasser in einem Erhitzungsvorgang auf die gewünschte Endtemperatur bringen, in so einem Fall wird der Brennwerteffekt meist gut genutzt. Ist aber die Leistung des Geräts zu gering, so ist diese „Temperaturspreizung“ (Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur) klein und das Wasser eines Speicherkessels muss zweimal oder öfter umgewälzt werden, bis die Solltemperatur erreicht wird. In diesem Fall wird der Brennwerteffekt nur am Anfang genutzt und nimmt mit zunehmender Erwärmung des Speicherwassers laufend ab. Um den Brennwerteffekt trotzdem nutzen zu können, muss entweder die Durchflussmenge durch den Heizkessel reduziert werden, wodurch die Temperaturspreizung zunimmt, oder es wird die Solltemperatur des Speicherwassers vermindert (Herabsetzung der Vorlauftemperatur oder der Warmwassertemperatur).
Die Feuchte der Zuluft kann in einer Rauchgaskondensationsanlage nur dann kondensiert werden wenn durch die Temperatur des Wärmeübertragermediums der Taupunkt der angesaugten Luft unterschritten würde, was aber eher selten der Fall ist. Bei installierter Luftvorwärmung kann im Winter das Abgas nicht unter die Temperatur der Frischluft heruntergekühlt werden, der Taupunkt der Frischluft wird daher (in diesem Fall) nie unterschritten. Der Feuchteanteil der Frischluft verbleibt dann unkondensiert im Abgas und geht als „Durchlaufposten“ durch die Heizanlage.
Die Luftfeuchtigkeit stellt insofern einen Zugewinn dar, weil für die Restfeuchte im Abgas nach der Kondensation nur die Differenz zwischen Zuluftfeuchte und Taupunktfeuchte aus dem Brennstoff gespeist werden muss und das „Zuviel“ mit Wärmegewinn auskondensiert. Der Wärmegewinn ist daher umso höher, je feuchter die Zuluft ist (die durch die Luft „eingesparte“ Kondensatmenge ist gleich hoch wie deren Wassergehalt). Die Feuchtigkeit der Zuluft führt auch nicht zur Flammenabkühlung (und wegen unvollständiger Verbrennung zu schlechterer Brennstoffausnutzung) da die Feuchte bereits dampfförmig vorliegt (sofern nicht nebelhaltige Luft angesaugt wird). Bei Ansaugung der Zuluft aus dem Heizraum (im Keller) kann somit sonstige gebundene Verdampfungsenthalpie (aus der Austrocknung der Baufeuchte, wenn der Heizraum zur Wäschetrocknung genutzt wird, Badezimmer- und Saunaabluft aus der kontrollierten Wohnraumlüftung) wiedergewonnen werden.
Der Taupunkt wird durch Luftüberschuss im Rauchgas erhöht (und damit die Ausbeute an Kondensat vermindert), denn die zusätzliche Luft bindet mehr Wasserdampf, kühlt aber gleichzeitig die Verbrennung, setzt also Verbrennungstemperatur und Rauchgastemperatur herab, was bei der Brennwertnutzung berücksichtigt werden muss.
Je tiefer das Rauchgas abgekühlt wird, desto mehr Wasserdampf oder Kondensate können kondensieren und desto mehr Kondensationsenthalpie kann genutzt werden. Nach einer Kondensation bleibt das Rauchgas weiterhin zu 100 % (mit einer nunmehr geringeren absoluten Menge an Wasserdampf oder Kondensaten) gesättigt.