Allgemeine Verbrennung

Allgemeines über Holzbrand und andere Brennstoffe

 

Fangen wir mit Grundlegendem an. Dabei wollen wir nicht zu chemisch oder mathematisch werden, damit der Leser nicht einschläft. Alles zu wissen ist weder nötig, noch hilfreich.

 

Wie brennt Holz? Brennt Holz überhaupt? Wie brennen andere Heiz- und Brennstoffe?

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Gaskocher / Gasbrenner 

Bei einem Gaskocher / Gasbrenner scheint alles klar. Es brennt eine blaue, rauschende Flamme ohne Qualm und Gestank. Bedingt durch gute Gas- und Luftvermengung im Mischrohr und Verteilung am Düsenkopf entsteht eine perfekte Flamme.

 

Der  Gaskocher / Gasbrenner zieht durch das ausströmende Gas zusätzliche Verbrennungsluft durch die Löcher im Mischrohr. Das Gas-Luftgemisch vorvermengt sich und prallt auf den Düsenkopf. Am Düsenkopf geschieht eine Verteilung und letzte Verwirbelung. Das Anzünden geschieht am Düsenkopf. Die Luftlöcher sind so berechnet (nicht zu klein oder zu groß), dass eine vollkommene und heisse Verbrennung resultiert.

Zwei Gaskartuschenbrenner
Zwei Gaskartuschenbrenner

 

Würgt man dem Brenner die Luftzufuhr ab, entsteht eine gelbe, lange und weniger aggressive Flamme (Rauschen hört auf).

Luftzufuhr geschlossen
Luftzufuhr geschlossen

 

Die blaue Flamme erzeugt eine grosse Hitze, die sogar eine Messerspitze zum Glühen bringt.

Blauflamme und glühende Messerspitze
Blauflamme und glühende Messerspitze

 

Die gelbe, luftarme Flamme dagegen lässt an der kälteren Metallspitze eine Verrußung entstehen. Das Feuer ist derart kraftlos, dass es das Messer nicht bis zur Glut erhitzen kann.

Rußbildung am Messer
Rußbildung am Messer

 

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Heizöl, Pflanzenöle, im weitesten Sinne flüssige Brennstoffe

 

Flüssige Brennstoffe werden - fast wie in einem Dieselmotor - unter Druck durch eine Düse fein verstäubt (versprayt) und mit Luft vermischt zur Verbrennung gebracht. Das homogene Brennstoff-Luft-Gemisch (Aerosol) wird an einer Zündelektrode, Pilotflamme oder Glühstift entzündet. Ölheizungen sind elektronisch geregelt mit Pumpen, Filtern und Elektrogebläsen. Bei Stromausfall bleibt die Wohnung kalt.


Mit einer Pumpflasche und etwas Spiritus kann man das sehr gut improvisieren.

Spiritus Pumpflasche
Improvisierte Brennerflamme

 

Fa. Buderus erklärt heutige Ölbrenner im Groben folgendermaßen:

 

Das Grundprinzip moderner Ölbrenner beruht auf der möglichst vollständigen Ölzerstäubung. Das Öl wird dabei zunächst vorgewärmt und dann durch eine Düse gedrückt, wobei es in Rotation versetzt wird und in feinste Öltröpfchen zerstäubt. Es entsteht ein Ölnebel, der hinter der Düse einen breiten Kegel bildet. Diesem wird zum einen Verbrennungsluft sowie heiße Heizgase zugeführt. Dadurch verdampft das Öl und es entsteht ein Gas-Luft-Gemisch, das nach Zündung verbrennt. Blaubrenner arbeiten dabei mit einem höheren Gebläsedruck was im Gegensatz zu Gelb- bzw. Transparentbrennern zu einer intensiveren Rückführung von Heizgasen aus der Verbrennungszone führt. Dadurch wird eine nahezu vollständige Ölverdampfung und eine praktisch rückstandslose Verbrennung erreicht.

Schnitt Gelbbrenner
Gelbbrenner (Quelle IWO)

 

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Kerzen


Eine Kerze hat zum Unterschied zum Gaskocher keinen gasförmigen Brennstoff  an "Bord" (z.B. Methan, Propan usw.). Vor allem muss man festhalten, dass nicht der "Feststoff" Kerzenwachs, Heizöl oder Holz brennt, sondern die aus diesen Stoffen gelösten Gase oder feinstverteilten und mit Luft vermischten Tröpfchen oder Stäube.


Erläuterungen zum Kerzenbild mit Nummerierung: Die Kerze wird am Docht 3 entzündet, das feste Wachs 1 wird erhitzt und schmilzt 2. Durch Kapillarwirkung steigt das flüssige Wachs den Docht hoch, wird vergast und entzündet 4 . Der Docht verbrennt innerhalb der Flamme nicht, er dient zur Verteilung und Leitung des flüssigen Wachses. Erst wenn der Docht aus der Flamme rausschaut und mit Luft in Verbindung kommt, verbrennt der Docht. Die blaue Flamme 4 hat ca. 600-800°C, Zone 5 ca. 1000°C, in der Zone 6 hat es bis zum Rand bis zu 1400°C. Die hohe Temperatur am Rand entsteht durch die innige Vermischung mit dem Sauerstoff der Luft.


Bläst man eine Kerze aus, qualmen die Wachs- und Parrafindämpfe weiter. Hält man eine Flamme gegen diese Dämpfe, erleben wir eine Rauchdurchzündung und die Kerze brennt wieder.

 

Näheres hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Kerze

Flammenzonen einer Kerze
Flammenzonen einer Kerze

 

Eine verkehrt herum angezündete und brennende Kerze hat eine sehr lange Flamme, verschwendet Brennstoff (Wachs tropft ab) und qualmt (unverbrannter Brennstoff steigt auf - Ruß) 7 . Eine korrekt aufrecht von oben abbrennende Kerze vollzieht die Trennung zwischen Brennstoffvorrat und Brennzone auf nahezu perfekte Art und Weise. Die auf dem Kopf stehende Kerze verlagert die Brennzone ungewollt in den Brennstoffvorrat hinein. Dadurch erhöht sich der Brennstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß.

Rußende Kerze
Rußende Kerze

 

Kühlt man die Kerzenflamme mit kaltem Metall ab, fängt sie an zu rußen. Es scheint für die Qualität der Verbrennung sehr förderlich zu sein, wenn die Verbrennungswärme nicht zu sehr durch die Umgebung  abgeleitet (entzogen) wird. Ziel sollte es sein, eine Hochtemperaturverbrennung zu erreichen.

Abkühlende Kerzenflamme
Abkühlende Kerzenflamme

 

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Holz

 

Die Holzverbrennung ist ein mehrstufiger Vorgang mit Aufspaltung und Vergasung des Feststoffes Holz und anschliessender Oxidation von Gasen und Holzkohle.

 

Erste Phase: Die Trocknung des Brennstoffes.

Erwärmung des Holzes durch Rückstrahlung von Flamme, Glutbett und Feuerraumwänden. In dieser Phase der Holzverbrennung verdampft das Wasser, das im Holz noch vorhanden ist. Da hierfür viel Energie benötigt wird, ist es wichtig, dass nur Holz mit einer Restfeuchte von maximal 20% verfeuert wird. Die Trocknung findet durch Erhitzung und Verdampfung des Wassers ab 100 °C statt. Ist das Holz feuchter als 20% wird die Verbrennungstemperatur stark herabgesetzt und der Trocknungsvorgang unvollständig. Folge ist ein schlechter Wirkungsgrad, Versottung in Ofen und Schornstein und hoher Schadstoffausstoß.

 

Zweite Phase: Pyrolyse und Entgasung.

Bei der Pyrolyse werden die festen Bestandteile aufgespalten und in flüchtige und gasförmige zerlegt. Es gehen die flüchtigen Holzbestandteile bei einer Temperatur von 150 – 550° C in die Gasphase über. Trockenes Holz besteht zu ca. 85 % aus flüchtigen Bestandteilen. Etwa 14% des Holzes bleiben als Holzkohle übrig, die aber noch weiter oxidiert werden kann. Zur Pyrolyse und Vergasung ist sogenannte Primärluft notwendig, welche direkt und zuerst auf das Holz einwirkt.

 

Dritte Phase: Oxidation aller Gase, der flüchtigen Bestandteile und des Kohlenstoffes.

Brennbare Gase und Kohlenstoff werden zu Kohlendioxid und Wasser bei Temperaturen ab 700 °C bis rund 1500 °C (maximal rund 2000 °C) oxidiert. Dazu ist Umluft oder Sekundärluft notwendig.

Resultat ist Wärmeabgabe an die Umgebung. Es sollte lediglich 0,5 - 1% Restasche übrig bleiben, die aus nicht weiter energetisch verwertbaren Stoffen besteht.

 

Holz muss, damit alles funktioniert, mit Luftüberschuss bei großer Hitze verbrennen. Nur so ist eine nahezu vollständige Ausnutzung der Holzenergie möglich.

 

Sollte Holz qualmen, kokeln und rauchen, sind folgende Kriterien zu prüfen: Holzrestfeuchte, Luftzufuhr, Schornsteinzug, Holzscheitdicke, Feueraufbau, Verwirbelung (Turbulenz), Holzsorte usw.. Kokelei und Qualm zeigen eine Verschwendung an. Qualm ist ungenutzter Brennstoff.

 

Ziel für die Technik und Bedienung sollte eine effiziente Nutzung der Brennstoffenergie und ein qualmfreier Betrieb sein (Rauchzündung).

 

So der Ablauf und die Theorie.

Anzünden von oben
Holzfeuer im Ofen

 

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Fazit:

 

Von den verschiedenen Brennstoffen und ihrer Verbrennung lernen wir einiges über und für unser Projekt des Rocket Stoves.

 

Holzfeuer wird oft mit viel Qualmerei, Rauch, Gestank und Staub in Verbindung gebracht. Z.T. definitiv leider zu Recht.

Moderne Heiztechnik setzt konsequent die Prinzipien guter und sauberer Verbrennung um, so dass z.B. Öl- und Pelletbrenner heutzutage keine Störenfriede mehr sind, sondern Geräte, die ihren Dienst sparsam und effizient verrichten.