Ein Kachelofen im Miniformat

Planung, Bau und Einsatz eines multifunktionalen, transportablen Kleinkachelofens


Es wurde ein Kleinkachelofen mit den Maßen 25 cm × 19 cm × 24 cm und einem Gewicht von 13,3 kg geplant und gebaut. Der Wirkungsgrad des Kleinkachelofens entspricht in etwa demjenigen eines großen Kachelofens. Während der Messungen und Berechnungen ergaben sich zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.

Als bei uns zu Hause ein neuer Kachelofen gesetzt wurde, entstand die Idee, selbst einen kleinen Kachelofen zu bauen. Daraus entstand das folgende Projekt mit folgenden Leitfragen: Ist es überhaupt möglich, einen Kleinkachelofen zu bauen, der funktionstüchtig ist? Welcher Brennstoff ist am besten geeignet?

Schamottesteine sind feuerfeste Steine zum Auskleiden von Feuerungsräumen. Schamotte besteht aus Tonerde und Aluminiumoxid und wird künstlich hergestellt. Da normal gebrannter Ton rissanfällig ist, wird diesem vor dem Brennen eine Schamottekörnung (verpulverte Schamotte) beigemischt. Dadurch wird das Material hitzebeständiger. Die Qualität des Schamottesteines hängt vom Aluminiumoxidgehalt ab. Wenn dieser weniger als 30 Prozent beträgt, hat der Schamottestein eine niedrige Qualitätsstufe, bei 30–45 Prozent eine höhere. Man kann also sagen, je höher der Oxidgehalt, umso höher ist auch die Qualität der Schamottesteine.

Kachelöfen werden nach der Masse der Schamottesteine unterschieden. Es gibt verschiedene Ausführungen, die sich in der Dicke der Schamotte-Vorschübe und der Ausfütterung der Kacheln unterscheiden (siehe Abb. 1). Leichte Ausführung (Vorschub 1–2 cm, keine Ausfütterung) z. B. Strahlungskachelöfen, Warmluftkachelöfen, mittelschwere Ausführung (5–7 cm) und schwere Ausführung (7–10 cm). Der Allzweckofen ist meistens in mittelschwerer Ausführung vorzufinden. Er ist für Kohle- und Holzfeuerung geeignet. Grundöfen gehören zu den schweren Bautypen, deren Vorteil in der langen Speicherung der Wärme durch die Schamottesteine und Kacheln liegt.

Die Verbrennung des Brennmaterials erwärmt die Luft im Feuerraum, diese zieht durch die Luftzüge und erwärmt dabei die Schamottesteine, diese erwärmen wiederum die Kacheln. Der Vorteil hierbei ist die große Wärmespeicherfähigkeit der Schamottesteine und Kacheln. Sie geben die Energie in Form von Strahlungs- und Konvektionswärme an den Raum ab. Im Vergleich zu einem Heizkörper liegt der Anteil der Strahlungswärme um einiges höher. Der sehr langsam voranschreitende Temperaturanstieg ist der einzige Nachteil. Die Strahlungswärme gilt als die gesündere Wärme, da sie aus langwelliger Infrarotstrahlung besteht, ähnlich wie die Sonnenstrahlung, die von der Erde wieder abgegeben wird.

Abb. 2 zeigt den Aufbau eines Grundofens in der Seitenansicht. Der Feuerraum (3) ist mit Schamottesteinen höherer Qualitätsstufen gebaut. Ein Rost (1) unterhalb des Feuerraum ist nur für Kohle oder Briketts nötig, da es sich um zusammengepresste Brennmaterialien mit geringem Sauerstoffgehalt handelt. Unterhalb des Rosts befindet sich der Aschenkasten (2). Oberhalb des Feuerraums befindet sich die Feuerraumdecke (4). Hier sind die Temperaturen am höchsten. Die Luftzüge (5) sorgen für den Transport der warmen Luft und der Abgase durch den Kachelofen und die Erwärmung der Schamottesteine. Restgase können durch den Gasschlitz (6) direkt in den Schornstein (7) entweichen. Durch den Schornstein und die Luftzufuhr im Kachelofen entsteht der Schornsteinunterdruck, die Abgase werden ins Freie befördert. An den Wendungen der Züge oder in den horizontalen Zügen lagern sich Anhäufungen von Asche (9.) ab. Zum Reinigen sind die Reinigungsöffnungen (10) nötig.

Die Kacheln des Außenbaus sind jeweils zweifach gebrannt. Erst werden die Teile aus Keramik gebrannt und in der zweiten Brennung kommt die Glasur aus Glas hinzu. Die Kacheln werden mit Ofenbaulehm zusammengehalten sowie mit ausgeglühtem Eisendraht verklammert.

  • Man darf niemals die Luftzufuhr schließen, wenn noch Flammen im Ofen vorhanden sind, da sonst gefährliche Gase entstehen können, während die Flamme erstickt, z. B. Kohlenmonoxid.
  • Um Brandgefahren vorzubeugen, darf die Asche erst aus dem Ofen entfernt werden, nachdem sie komplett abgekühlt ist.
  • Die ausreichende Belüftung des Raumes, in dem der Kachelofen betrieben wird, muss gewährleistet sein.

Ursprünglich bestand die Idee, für ein Modellhaus mit den in Abb. 3 dargestellten Dimensionen einen Kachelofen zu bauen. Aus einer Ermittlung der Heizfläche [1]

\(\frac{\mathrm{Rauminhalt}\;\mathrm{in}\;\mathrm m^3⋅40}{900}=\mathrm{Heizfläche}\;\mathrm{in}\;\mathrm m^2\)

ergab sich eine optimale Heizfläche von 38 cm2. Die Heizfläche des Ofens liegt mit ca. 2800 cm2 deutlich darüber.

Der Ofen wurde ausgehend von der Heizfläche größer als optimal geplant, da dies (siehe Abb. 3) die kleinste mögliche Größe zum Bauen war. Sein Gewicht sollte gut von einer Person tragbar sein, dies ist mit ca. 13 kg auch gelungen. Auf die Luftzüge verzichtete ich. Somit können nur die Decke und die Seitenwände Wärme speichern. Somit ist das Volumen des Ofens zu groß für das Modellhaus. Den Ofen kleiner und dafür mit Luftzügen zu bauen, wäre unmöglich gewesen.

Für den Feuerraum standen ca. 20 Schamottesteinplatten verschiedener Qualitätsstufen zur Auswahl. Für die Decke benötigte ich Platten von höherer Qualität als für die Wände, da dort höhere Temperaturen herrschen. Bei den Seitenwänden entschied ich mich für Bündelplättchen mit Qualität 4E, bei Decke und Boden für Backofenplatten mit Qualität 5E.

Eine wichtige Anforderung an den Kleinkachelofen war die Zerlegbarkeit, damit er zwischen den Versuchen von innen untersucht und auf Unversehrtheit überprüft werden kann. Dies war mir wichtig, da das Modell in vielerlei Hinsicht von einem großen Kachelofen abweicht und nicht vorhersehbar war, was mit dem Ofen beim Befeuern passieren würde.

Das Modellhaus stellt für die folgenden Versuche eine abgeschlossene und gleichbleibende Versuchsumgebung dar. Nur mit einer solchen Umgebung sind die Versuche vergleichbar. In diesem Modellhaus brachte ich später die Temperatursensoren an. Das Modellhaus ist aus Kiefernholz gefertigt.

Zunächst wurden die Platten zugeschnitten und mit den jeweiligen Fugen ausgestattet, sodass man den Kachelofen zusammenbauen konnte. Dann kamen die Löcher für den Kamin und die Edelstahlschrauben hinzu. Diese Arbeitsschritte haben ca. 30 Stunden gedauert. Dann wurden die 110 Jahre alten Kacheln hinzugefügt. Diese mussten gesäubert, abgeschliffen und zurechtgeschnitten werden. Die Ofentür ist eine zugesägte Edelstahlplatte, deren Kanten geglättet wurden. Die Lüftung besteht aus vier Bohrlöchern und ist regulierbar. Mit einem Hebel ist die Tür sicher verschließbar (siehe Abb. 5). Danach wurde noch das Kaminrohr, welches aus einem Edelstahlrohr besteht, montiert. Ganz zum Schluss wurden die Kacheln mit Haftmörtel angerieben (angeklebt). Der Modellkachelofen war vorerst fertiggestellt.

Der Ofen funktionierte mit Brennspiritus. Allerdings konnte weder Holz noch Kohle verbrannt werden, da kein Rost vorhanden war. Nachträglich war es unmöglich mit einem festen Rost sowie einem Aschekasten den Ofen nachzurüsten, da in dem Feuerraum kein Platz und die Schamotteplatte zu massiv war. Die Lösung für dieses Problem bestand darin, einen kleinen Korb aus Stahl (mit Aschekasten) zu bauen. Somit kann die Luft gut an die Brennstoffe gelangen. Jetzt war es auch möglich, Holz und Kohle zu verbrennen.

Insgesamt wurde am Modellhaus und Kachelofen ca. 150 Stunden geplant und gebaut. Der fertige Ofen hat die Außenmaße: Länge 25 cm, Breite 19 cm, Höhe 22,5 cm, Kaminhöhe insgesamt 45 cm, davon 17 cm im Kachelofen, und ein Gewicht von 13,3 kg.

Die Versuche wurden alle im Winter draußen durchgeführt. Das Modellhaus (Dach) stand bei den Versuchen zur Erforschung des Ofens offen, da hier die Temperatur auf Ofendecke bzw. Ofenwänden gemessen wurde und die Differenz zur Außentemperatur bestimmt werden sollte. Bei der Ermittlung des idealen Brennstoffes war das Haus verschlossen und die Temperatur wurde im Modellhaus gemessen, denn hier war das Ziel, herauszufinden mit welchem Brennstoff die Umgebung des Ofens am besten erwärmt werden konnte.

Bei den Versuchen wurde jeweils der Brennstoff angezündet und in den Ofen gelegt. Nach dem Erlöschen wurden direkt die Luftlöcher an der Ofentür verschlossen, um den Luftzug im Ofen zu minimieren und somit die Wärme so gut wie möglich im Ofen zu halten.

Da meistens mit 20 g eines Brennstoffes gearbeitet wurde, war ein Nachlegen nicht notwendig, außer bei der Verbrennung von 60 g Brennspiritus, da musste der Brenner einmal nachgefüllt werden.

Da der Ofen draußen stand und die Temperatur durch einen Datenlogger aufgezeichnet wurde, war es nicht notwendig, den Ofen permanent zu beaufsichtigen.

Ein Versuch gliederte sich in vier Phasen:

Vorbereitungsphase: Der Ofen und das Modellhaus mussten auf Außentemperatur gebracht werden, hierzu habe ich die Versuchsobjekte schon 10 bis 12 Stunden vor Versuchsbeginn nach draußen gestellt.

ProHeizphase: Hier habe ich den Ofen mit dem Brennstoff beheizt. Dies dauerte je nach Brennstoff und Brennstoffmenge unterschiedlich lang: zwischen 20 Minuten und 3 Stunden.

Abkühlphase: Sobald das Feuer erloschen war, wurden die Luftlöcher geschlossen. Der Ofen sowie die Versuchsumgebung kühlten langsam ab. Die Temperatur näherte sich wieder der Außentemperatur an. Dies dauerte je nach erreichter Temperatur des Ofens ca. 6 bis 10 Stunden.

Check: Nach einem abgeschlossenen Versuch untersuchte ich den Ofen auf seine Unversehrtheit. Hierzu wurde der Ofen komplett auseinandergebaut, gesäubert, auf Risse etc. untersucht und wieder zusammengebaut.

Um den Wärmestrom Φ und den Wirkungsgrad η des Ofens zu bestimmen, verbrannte ich 20 g Brennspiritus. Mithilfe eines Temperaturdatenloggers (Arexx TL-510), dessen Sensoren ich auf der Ofendecke und an den Seitenwänden befestigt hatte, bestimmte ich den zeitlichen Temperaturverlauf.

Abb. 7a zeigt die Temperatur an der Ofenwand, Abb. 8a auf der Ofendecke. Abb. 7b bzw. Abb. 8b zeigt die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der Außentemperatur.

Gut zu sehen ist, dass die Temperaturdifferenz von Außentemperatur zur Ofendecke mit 52,5 K um einiges höher lag als zu den Ofenwänden mit 22,8 K. Des Weiteren ist zu sehen, dass die Wände die Temperatur besser hielten als die Decke, denn sowohl das Halten der Temperatur im Maximalbereich (auf den Abbildungen blau eingefärbt) als auch das Abkühlen dauert bei den Wänden länger. Dies liegt wohl an den Kacheln, die nur an den Wänden befestigt sind.

Zur Vereinfachung wird später nur mit den Messwerten über den 10-Prozent- Schwellen (10 Prozent des Gesamttemperaturanstiegs) gerechnet. Der Temperaturanstieg ist hier annähernd linear, was eine gleichmäßige Energieaufnahme der Schamottesteine impliziert. Anschließend fällt die Temperatur, mit der Umgebungstemperatur als untere Schranke, annähernd exponentiell ab.

Aus diesen Messungen konnte ich den Wärmestrom, die Energieabgabe und den Wirkungsgrad bestimmen.

 
4.2.1 Wärmestrom

Der Wärmestrom Ф wird basierend auf dem Stefan-Boltzmann-Gesetz bestimmt

Φ = ε ∙ σ ∙ A ∙ T(t)4

Mit ε Emissionsgrad, σ Stefan-Boltzmann-Konstante und A Fläche.

Für den Emissionsgrad ε wird 0,93 angenommen, da bei dem Ofen nicht von einem „schwarzen Körper“ (ε = 1) ausgegangen werden kann. 0,93 ist der Wert für roten Ziegelstein und somit in etwa vergleichbar mit den Schamottesteinen.

Der gesamte Wärmestrom setzt sich aus vier Anteilen zusammen:

 
Gemessener Temperaturanstieg an der Decke

Vereinfachend wird angenommen, dass der Anstieg zwischen 5,25 K (10 Prozent) und 52,25 K (100 Prozent) mit einer Gerade angenähert werden kann (siehe auch Abb. 8b). Für die Temperaturdifferenz von 47,25 K werden 75 min bzw. 4500 s benötigt. Die Steigung m der Geraden beträgt also

\(\mathrm m=\frac{47,25\;\mathrm K}{4500\mathrm s}=0,0105\;\frac{\mathrm K}{\mathrm s}\)

Und somit

\({\mathrm T}_{\mathrm{Decke}}=0,0105\frac{\mathrm K}{\mathrm s}⋅\mathrm t+273\mathrm K\)

Für die Temperaturdifferenz gilt

T(t) = TDecke – Taußen

Mit

ϑaußen = –4 °C, also Taußen= 269 K

Für den Wärmestrom gilt also mit A = 0,0871 m2

Siehe Formel (1)

 
Gemessener Temperaturabfall an der Decke

Für die Abnahme der Temperatur um 47,25 K wird eine Zeit von 165 min = 9900 s benötigt. Es wird angenommen, dass die Temperatur exponentiell abnimmt:

\(\mathrm T(\mathrm t)={\mathrm T}_\max⋅\mathrm e\left(\frac{-\mathrm t}{{\mathrm\tau}_1}\right)=320,25\mathrm K⋅\mathrm e\left(\frac{-\mathrm t}{{\mathrm\tau}_1}\right)\)

Nach 3600 s wird eine Temperatur von 297,75 K erreicht.

\(320,25\;\mathrm K⋅\mathrm e\left(\frac{-3600\mathrm s}{{\mathrm\tau}_1}\right)=297,75\;\mathrm K\)

Aus dieser Gleichung kann τ1 bestimmt werden.

\(\ln\frac{\left(297,75\;\mathrm K\right)}{\left(320,25\;\mathrm K\right)}⋅{\mathrm\tau}_1=-3600\mathrm s\)

\({\mathrm\tau}_1=\left(-3600\mathrm s\right)\;(\ln\;\frac{\left(297,75\;\mathrm K\right)}{\left(320,25\;\mathrm K\right)})\;=49418,15\)

\(\mathrm T(\mathrm t)=(47,25\;\mathrm K+273\;\mathrm K)⋅\mathrm e^{\left(\frac{-\mathrm t\;}{49418,15}\right)}\)

Für den Wärmestrom gilt also

Siehe Formel (2)

 

Gemessener Temperaturanstieg an der Wand

Die Fläche der Wände beträgt 0,0976 m2 und der Temperaturanstieg 20,52 K. Die benötigte Zeit des Anstiegs war 6000 s. Die Außentemperatur lag bei 269,5 K.

Siehe Formel (3)

 

Gemessener Temperaturabfall an der Wand

Gleicher Temperaturabfall wie Anstieg: 20,52 K. Zeit des Abfalls: 360 min = 21600 s

Siehe Formel (4)

 


In Abb. 9 ist der gesamte Wärmestrom (Φges = Φ1 + Φ2 + Φ3 + Φ4) über eine Zeit von 4,5 Stunden dargestellt. Der maximale Wärmestrom der Verbrennung von 20 g Brennspiritus im Kleinkachelofen liegt bei ca. 35 W. Für das Modellhaus liegt der Wärmebedarf bei ca. 20 W. (Dieser Wert ergibt sich aus folgender Abschätzung: Der Wärmestrom für ein mittelgut isoliertes Haus liegt bei ca. 100 W/m2 . Das Modellhaus hat eine Grundfläche von ca. 0,2 m2.) Dieser wird ca. 110 min lang erreicht bzw. sogar überschritten.

 

4.2.2 Berechnung der Energieabgabe

Integriert man den zeitabhängigen Wärmefluss über die Zeit, erhält man die abgegebene Energiemenge. Dies habe ich mit einem wissenschaftlichen Taschenrechner ausgeführt.

\({\mathrm W}_{{\mathrm t}_1,{\mathrm t}_2}=\int\limits_{{\mathrm t}_1}^{{\mathrm t}_2}\;\mathrm\Phi(\mathrm t)\)

Siehe Formel (5)

Mit den Daten aus 4.2.1. ergibt sich die gesamte abgegebene Energie zu

Siehe Formel (6)

Siehe Formel (7)

Der Wirkungsgrad η gibt das Verhältnis zwischen der nutzbaren und der zugeführten Energie an.

\(\eta=\frac{E_{ab}}{E_{zu}}\)

Der Heizwert von Ethanol beträgt 27 MJ/kg. 20 g Ethanol enthalten somit 540 kJ. Mit 253 kJ wird bei meinem Kachelofenmodell ca. 47 Prozent der Energie als messbare Wärme (durch Abgabe von Wänden und Decke) im Modellhaus nutzbar. Der Rest entweicht durch den Kamin und die Ofentür (große Energiemengen) sowie durch den Boden des Ofens (kleine Energiemenge). Der verwendete Brennspiritus ist kein reines, sondern vergälltes Ethanol, somit liegt der Heizwert etwas unter den angegebenen 27 MJ/kg. Außerdem wird nur mit den Messwerten über der 10-Prozent- Temperaturanstiegsschwelle gerechnet. Somit liegt die nutzbare Energie (Wärme) bei der Verbrennung von 20 g Brennspiritus etwas höher als 47 Prozent der enthaltenen Energie des Brennstoffes.

Abb. 10 zeigt den Temperaturverlauf bei Verbrennung von 60 g Brennspiritus. Hier sind in Abb. 10a sowohl die Außentemperaturkurve (rot), die Temperaturkurve der Ofendecke (lila) und die Temperaturkurve der Ofenwände (grün) dargestellt. Auf der Ofendecke werden bei der Verbrennung von 60 g Brennspiritus Höchsttemperaturen von über 115 °C erreicht. Auf den Ofenwänden hingegen ca. 45 °C. In Abb. 10b sind die Temperaturdifferenzen zur Außentemperatur zu sehen. Die höchste Temperaturdifferenz zwischen Außentemperatur und der Temperatur auf der Ofendecke beträgt 108 K, zu den Wänden herrscht eine Differenz von 35 K. Bei der Verbrennung von 60 g Brennspiritus errechnet man einen Wirkungsgrad von 72 Prozent. Der höchste erreichte Wärmefluss beträgt hier ca. 100 W.

Hier soll die Wärmespeicherfähigkeit der Schamottesteine und Kacheln untersucht werden. Dazu wurden in zwei Versuchen jeweils 20 g Paraffin verbrannt. Paraffin wird verwendet, da durch die vergleichsweise kleine Kerzenflamme das Plexiglasdach des Modellhauses nicht schmilzt, was bei anderen Brennmaterialien nicht gewährleistet war. Im ersten Versuch (siehe Abb. 11) steht nur die Kerze im Modellhaus. Im zweiten Versuch steht der Kachelofen, in dem die Verbrennung stattfindet, im Modellhaus (siehe Abb. 12). Die Kerze brannte ca. 40 min. Während der Versuchszeit waren die Temperatursensoren im geschlossenen Modellhaus jeweils so weit wie möglich von der Flamme entfernt angebracht.

Wenn ein Feuer im Kachelofen brennt, erwärmt dieses die Luft im Ofen, aber auch die Wände und die Decke des Ofens. Das Kachelofenmodell hält die Temperatur im Modellhaus nach dem Erlöschen der Flamme für mehrere Stunden (brennstoffabhängig) über 10 Prozent des Gesamttemperaturanstiegs (siehe Abb. 12b). Das Modell kühlt also erst nach dieser Zeitspanne vollständig aus. Der Ofen hält trotz der geringen Brennstoffmenge seine Temperatur knapp eine Stunde lang oberhalb 90 Prozent des erreichten Temperaturanstiegs. Ein großer Kachelofen in schwerer Bauweise hält bis zu 18 Stunden nach dem Erlöschen (über 10 Prozent) warm. Für die geringe Größe meines Modells sind die Werte also mehr als zufriedenstellend. Die Versuche mit Kachelofen haben alle gemeinsam, dass es einige Zeit dauert, bis die Temperatur ihren höchsten Punkt erreicht. Die Schamottesteinplatten und Kacheln speichern die Energie und geben diese mit der Zeit an die Umgebung des Ofens ab. Sobald die Flamme erlischt, gibt der Ofen die gespeicherte Wärme weiterhin ab, die Temperatur steigt also weiter an und die Höchsttemperatur wird erst nach dem Erlöschen erreicht. Der Temperaturanstieg nach dem Erlöschen beträgt noch ca. 10 Prozent des Gesamttemperaturanstiegs. Gleichzeitig kühlt jedoch das Haus wegen der niedrigeren Außentemperatur ab. Wenn der Ofen keine Wärme mehr abgibt, also auch erkaltet ist, kühlt das Haus insgesamt aus, bis die gleiche Temperatur wie außen herrscht. Alle Temperaturveränderungen laufen somit zeitlich verzögert ab.

Bei einem offenen Feuer im Modellhaus wird mit jeglicher Energie, die durch die Verbrennung frei wird, sofort das Modelhaus erwärmt. Hierdurch steigt die Temperatur kurzfristig hoch an, kann allerdings nach Erlöschen der Flamme nicht gehalten werden und das Haus kühlt schnell wieder ab. Dies zeigen auch die Werte in Tab. 1.

4.5.1 Versuche

Nach der Fertigstellung des Ofens habe ich Brennstoffversuche durchgeführt, um zu testen, welcher Brennstoff die höchste Temperaturdifferenz zwischen Innen- (Modellhaus) und Außentemperatur erzeugt. Die Temperaturen habe ich wieder mithilfe des Temperaturdatenloggers (Arexx TL-510) aufgezeichnet. Getestet wurden acht Brennstoffe: Fichtenholz, Buchenholz, Kohle, Brennspiritus, Brennpaste (Ethanol Basis), Paraffin, Esbit und eine Petroleum-Leim-Mischung (Feststoff). Dazu entzündete ich jeweils 20 g des Brennstoffes im Kachelofenmodell. Der Ofen stand im Modellhaus, welches verschlossen und zu Beginn auf Außentemperatur abgekühlt war. Die Brennstoffe brannten im Durchschnitt 40 bis 50 Minuten. Nach dem Erlöschen wurden die Luftlöcher geschlossen. Das Abkühlen dauerte im Durchschnitt 490 bis 500 Minuten. Insgesamt dauerte ein Versuch mit allen vier Phasen 20 bis 25 Stunden.

 

4.5.2 Ergebnisse

Exemplarisch zeigen die Abb. 12 für Paraffin und die Abb. 13 für Fichtenholz die Ergebnisse.

Holz besteht größtenteils aus Cellulose, Lignin und Hemicellulose. Es verbrannte aufgrund einer unzureichenden Sauerstoffzufuhr nicht vollständig. Ich entfernte die Asche, die zum größten Teil aus Inert-Stoffen besteht, vorsichtig. Das zurückbleibende unverbrannte Holz wog 3 g. Durch das Ersticken des Feuers kann es zu einer CO-Bildung kommen, dies kann für Menschen gefährlich sein. Auch beim Beheizen des Ofens mit kleinen Brennstoffmengen sollte deshalb bei unvollständiger Verbrennung unbedingt draußen experimentiert werden.

Der Heizwert von Holz beträgt ca. 15 MJ/kg. Die Verbrennung von Holz läuft in drei Schritten ab: Trocknung: Hier entweicht die Feuchtigkeit des Holzes. Entgasung (Pyrolyse): Die flüchtigen Holzbestandteile gehen in den gasförmigen Aggregatzustand über. Oxidation: Die brennbaren Holzbestandteile reagieren mit dem Luftsauerstoff.

Das Paraffin verbrannte ohne sichtbare Rückstände. Es ist ein Gemisch aus langkettigen gesättigten Kohlenwasserstoffen. Die allgemeine Summenformel ist CnH2n+2. Die Kettenlängen liegen zwischen 15 und 25 C-Atomen. Die Eigenschaften können aus der homologen Reihe der Alkane abgeleitet werden. Paraffin ist wachsartig, brennbar und ungiftig.

4.5.3 Auswertung

Tab. 2 zeigt die Ergebnisse der Brennstoffversuche.

An den Temperaturverläufen sowie den Werten der Tab. 2 kann man nicht erkennen, wie effizient die Brennstoffe sind, denn hier spielt das Verhältnis zwischen abgegebener Energie und dem Heizwert des Brennstoffes die entscheidende Rolle.

Zur Ermittlung des ergiebigsten Brennstoffes habe ich die Differenzflächen zwischen Innen- und Außentemperaturkurve berechnet; diese sind proportional zu der Energieabgabe und in den Diagrammen orange eingefärbt. Dafür habe ich die jeweiligen Temperaturfunktionen aufgestellt und die Integrale berechnet. Damit man die Flächeninhalte vergleichen kann, habe ich die Werte jeweils durch den Flächeninhalt der Graphen des Brennspiritus geteilt. Dadurch erhält man die relative Energieausbeute in Prozent.

Da ich auch die Versuche zur Bestimmung des Wirkungsgrades, des Wärmestroms und der Energieabgabe mit Brennspiritus durchgeführt habe, entschied ich mich, den Brennspiritus als Referenz zu benutzen.

Der Quotient aus dem Heizwert eines Brennstoffe und dem Heizwertes aus Brennspiritus ist der relative Heizwert. Durch das Verhältnis aus „relativer Energieausbeute“ und „relativem Heizwert“ kann man einen Vergleich der Effizienz zwischen den Brennstoffen ziehen. Werte siehe Tab. 3.

Nach Tab. 3 wären die beiden Holzproben trotz unvollständiger Verbrennung am effizientesten. Diese Werte sind allerdings stark von der Gesamtzeit des Versuchs abhängig, da die berechneten Differenzflächen stark von der Zeit beeinflusst werden. Dies ist somit nur eine grobe Abschätzung der relativen Effizienz.

Mir ist es gelungen, einen funktionstüchtigen Kleinkachelofen zu entwickeln und zu bauen, der mit einem Gesamtgewicht von 13,3 kg transportabel ist. Der Ofen hält aufgrund des Fugenprinzips auch ohne Mörtel zusammen. Der Ofen funktioniert auch ohne Luftzüge. Der Zug, der durch den Kamin erzeugt wird, ist weitestgehend ausreichend und die Schamottesteine nehmen auf dem, im Vergleich kurzen Weg der warmen Luft durch den Ofen, genug Wärme auf, um eine deutliche, wenn auch vergleichsweise langsame Erwärmung der Umluft festzustellen. Bei richtiger Benutzung (geeignete Brennstoffe, geöffnete Luftlöcher, nicht Einatmen der Abgase) besteht kein großes Risiko bei der Inbetriebnahme. Trotzdem besteht, wie bei jedem Feuer, die Gefahr einer Rauchvergiftung.

Eine der gewünschten Eigenschaften des Kachelofens ist die Wärmespeicherfähigkeit. Man kann einen Raum mit vergleichsweise wenig Brennstoff lange warmhalten. Bei meinem kleinen Ofenmodell wirkt sich dieser Effekt natürlich in geringerem Maße aus, als bei einem großen Kachelofen. Deshalb habe ich mich gefragt, welche kleinen (meist schlecht wärmeisolierten) Räume es gibt, in denen es zu keinen sehr niedrigen Temperaturen kommen darf. Ein Hobby-Gewächshaus war meine Antwort. Die Pflanzen brauchen dort wärmere Temperaturen, besonders im Winter. Die übliche Lösung ist es, Kerzen in diesen kleinen Gewächshäusern aufzustellen. Sie brennen schnell ab, danach ist die Wärme „verloren“. Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem Versuch, den ich in meinem Modellhaus ohne Kachelofenmodell durchgeführt habe. Man könnte nun in einem Gewächshaus das Kachelofenmodell mit den Kerzen beheizen, die man sonst ohne den Kachelofen aufgestellt hätte. Dabei wird die charakteristische Wärmespeicherfähigkeit der Schamottesteine und Kacheln des Kachelofens genutzt. Des Weiteren wird kein elektrischer Strom gebraucht, dies kann vor allem in Gebieten außerhalb von Ortschaften ein entscheidender Vorteil sein. Trotzdem ist hier erst zu testen, wie der kleine Kachelofen auf einen solchen, etwas größeren Raum wirkt. Weiterhin ließe sich mit dem Modell gut nach Verbesserungen der aktuell gebräuchlichen Rußfilter/Abgasfilter forschen, da die Brennstoffe die gleichen Eigenschaften aufweisen, wie bei der Verbrennung in großen Öfen. Hierbei wäre der Einbau der Testfilter an einem kleinen Ofen unkomplizierter und die Kosten dafür erheblich geringer.

Das gute Gelingen meiner Jugend- forscht-Arbeit verdanke ich vielen Personen. Bei Freunden, Verwandten und Familie bekam ich Anregungen und mentalen Rückhalt. Dafür möchte ich danken. An meinen Vater Ernst Höfler geht ein ganz herzlicher Dank für seine praktische und theoretische Hilfe beim Bau des Ofens.

Besonders danken möchte ich meinem Projektbetreuer Dr. Martin Stübig für seine unkomplizierte und kenntnisreiche Begleitung – bis hin zum letzten Schliff der Arbeit für die Veröffentlichung. Unser gemeinsames Interesse an dem kleinen Kachelofen wuchs und ließ ausführliche Gespräche und Diskussionen entstehen. Durch seine Impulse entwickelten sich sowohl der Kachelofen, aber auch die theoretische Ausarbeitung – insbesondere die Messreihen und Berechnungen – immer weiter. Lieber Herr Stübig, vielen Dank!

[1] Kachelofenbau von Manfred Raschner, Köln-Braunsfeld: R. Müller 1983 (Fachwissen für Heimwerker); S. 21, S. 24

[2] http://www.ofen.edingershops.de/Vermiculite-oder-Schamotte:_:113.html (Letzter Zugriff: 08.01.17)

[3] https://www.ofen.de/blog/holzkohle-fakten.html (Kohle) (Letzter Zugriff: 05.01.17.)

[4] http://www.wissen.de/lexikon/holzkohle (Kohle) (Letzter Zugriff: 05.01.17.)

[5] http://www.ofenfeuer.de/global/pdf/Probleme.pdf (Holz) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[6] http://www.kaminholz-wissen.de/hartholz-weichholz.php (Holz) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[7] https://www.schornsteinmarkt.de/rauchzeichen/holz-viele-arten-mit-grossen-unterschieden/1623 (Holz) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[8] http://www.chemie.de/lexikon/Paraffin.html (Paraffin) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[9] http://www.chemie.de/lexikon/Ethanol.html (Spiritus) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[10] http://www.chemieunterricht.de/dc2/r-cho/curotro.htm (Esbit) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[11] http://www.gifte.de/Chemikalien/hexamethylentetramin.htm (Esbit) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[12] https://www.chem-page.de/experimente/82-brennpaste.html (Brennpaste) (Letzter Zugriff: 06.01.17)

[13] https://www.bauforumstahl.de/upload/documents/brandschutz/kennwerte/Heizwertfluessig.pdf (Petroleum) (Letzter Zugriff: 06.09.17 )