CN114353115A - 用于在气体燃烧期间进行火焰监测的方法和加热设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在借助气态燃料、特别是借助氢‑空气‑混合物进行工作的加热设备的燃烧室中在气体燃烧期间监测火焰的方法，所述加热设备具有分析单元、在燃烧期间流被废气流过的抽出管路和布置在所述抽出管路中的用于检测流过所述抽出管路的气体的材料热特性的传感器，其中流过所述抽出管路的气体是邻接所述加热设备的环境中的环境空气、未燃烧的燃料‑空气‑混合物或特别是氢‑空气‑混合物或者燃烧期间产生的废气，且其中所述传感器将所测得的测量值传输至所述分析单元，所述分析单元通过所述测量值确定所述抽出管路是否被环境空气、所述未燃烧的燃料‑空气‑混合物或废气流过，从而确定火焰是否在燃烧或已熄灭。

Description

用于在气体燃烧期间进行火焰监测的方法和加热设备

技术领域

本发明涉及一种在加热设备中在气体燃烧期间监测火焰的方法以及一种用以在气体燃烧期间监测火焰的加热设备，其中特别是燃烧氢气，使得所述火焰为氢火焰。

背景技术

现有技术中已知的现今加热设备、特别是燃气锅炉例如将天然气或长链烃用作燃料。为了此类加热设备的安全运行，需要进行火焰监测，通过火焰监测确保在熄灭火焰时立即停止燃料供应。

如果没有停止燃料供应，则燃料例如可能会聚集在燃烧室中，从而会因重新点火或者一般而言因火花而引起突然爆燃。

因此，应通过火焰监测来保护加热设备、操作者和环境免受重大损害。

特别是在家用领域中，大多数系统中的火焰监测是借助电离电流方法而实现的。通过燃料中所含的碳在燃烧期间产生电荷载流子，在施加电压时，这些电荷载流子可以作为所谓的电离电流而被测得。如果此电离电流降低到预定阈值以下，则假定火焰熄灭并中断燃料供应。

然而，在未来，燃气式加热设备、特别是燃气锅炉将越来越多地使用氢气且优选使用纯氢气来工作。

此气态燃料不含任何碳组分。因此，在燃烧基本上纯净的氢气时，无法测量电离电流。这样就无法再实现任何一种现今最常用的火焰监测形式。

除了电离电流监测之外，现有技术中还揭示了其他方法，其中例如通过红外线或紫外线传感器直接对火焰进行监测。

然而，这些方法的缺点在于，这些传感器依赖于与火焰的视觉接触并且可能会受到污染，这除了增加结构上的耗费之外，还会增加生产和维护成本。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述缺点并提供一种方法和一种加热设备，通过所述方法和所述加热设备能够在气体燃烧期间进行可靠的火焰监测，并且所述方法和所述加热设备特别是还适用于监测氢火焰或氢气燃烧。

本发明用以达成上述目的的解决方案在于根据专利权利要求1的特征组合。

根据本发明，提出一种在借助气态燃料进行工作的加热设备的燃烧室中在气体燃烧期间监测火焰的方法，其中所述加热设备特别是燃气锅炉。为此，所述加热设备具有分析单元、在燃烧期间被废气流过的抽出管路和布置在该抽出管路中的用于检测流过该抽出管路的气体的材料热特性的传感器。其优选为布置在抽出管路中的至少一个传感器，其中可以设有多个传感器，这些传感器优选还可以检测相同或不同的材料特性。在此，流过抽出管路的气体指的是可以流过抽出管路(特别是在按规定地使用加热设备时)的任何气体或气体混合物。在此情况下，流过抽出管路的气体至少是邻接加热设备的环境中的环境空气、未燃烧的燃料-空气-混合物或燃烧期间产生的废气。在此情况下，抽出管路优选将燃烧室与环境连接在一起。传感器将所测得的测量值传输至分析单元，其中可以连续地或离散地检测该测量值并且可以连续地或以预定的时间间隔将该测量值传输至分析单元。该分析单元通过测量值或该测量值所表示的流过抽出管路的气体的材料特性来确定环境空气、未燃烧的燃料-空气-混合物或废气是否流过该抽出管路。根据流过抽出管路的气体，分析单元还确定火焰是否在燃烧或已熄灭。这是可能的，因为流过抽出管路的气体与火焰的存在直接相关。

如果燃料供应被中断并且燃烧尚未发生，则环境空气会流过抽出管路或者抽出管路中存在环境空气。如果进行燃料供应并且火焰已经熄灭，则未燃烧的燃料-空气-混合物会流过抽出管路。如果存在需要进行燃料供应的火焰，则会有废气流过该抽出管路。

本发明的基本理念在于利用环境空气、未燃烧的氢或燃料-空气-混合物以及气体燃烧、特别是氢气燃烧的废气的不同材料热特性。

热导率k或导温系数a例如适于作为可测量的材料特性。未燃烧的燃料-空气-混合物的材料热特性与在其他情况下出现在传感器上的气体混合物的材料热特性有很大不同。通过传感器探测从燃烧室流过抽出管路的气体混合物的材料特性并通过所测得的材料特性借助分析单元将该气体或气体混合物与环境空气、未燃烧的燃料-空气-混合物或燃烧后的废气中的一个进行对应。

如果探测到未燃烧的混合物，即使该过程可能会检测到燃烧后的废气，还是要停止供气。因此，可以提出，分析单元将火焰的状态(燃烧或熄灭)转发至加热设备的控制设备，或者，分析单元集成在这种控制设备中，以便可以将所识别的气体和/或所测定的火焰状态(实际状态)与控制设备所假定或预设的状态(目标状态)进行对比。

因为并非直接对火焰进行测量或观察，所以这是一种监测火焰的间接方法。

相应地，所述方法的一种有利的改进方案提出，所述加热设备具有用于控制燃料供应的阀，在由传感器或分析单元检测到未燃烧的燃料-空气-混合物但预期是废气的情况下，闭合该阀，从而不再供应燃料。为此，实际状态与目标状态的对比并不是绝对必要的，因为由于相关的危险，未燃烧的混合物流出通常是非期望的。

还可以提出，在探测到火焰熄灭之后，借助环境空气对燃烧室进行冲扫，以便从燃烧室中排出积聚的未燃烧混合物(燃料-空气-混合物)，从而避免在火焰重新点燃时在燃烧室中发生爆燃。借助环境空气成功进行冲扫又可以借助传感器或借助所述方法来进行监测。

传感器区域中的空气/气体或一般压力以及流经该传感器的气体的温度优选是恒定的，其中还可以设有用于检测抽出管路中存在的边界条件(例如特别是温度和/或压力)的附加传感器，通过这些附加传感器可以在分析单元中对抽出管路中的边界条件进行检查和考虑。如果温度和/或压力例如发生波动，则可以使用这些边界条件，以便根据储存在分析单元中的转换方法或转换因数在可比的基础上对所测得的气体材料特性进行归一化。在此情况下，这些附加传感器相应地将所测得的边界条件作为测量值传输至分析单元，该分析单元借助这些边界条件对传感器所测得的材料热特性进行归一化或者使其变成预定的可比变量，即标准化。

燃烧室中的压力优选高于邻接加热设备的环境中的压力，从而由压力差来驱动废气流或通过抽出管路的流动。

此外，一种有利的改进方案提出，所述加热设备具有多个用于检测流过所述抽出管路的气体的材料热特性的传感器。这些传感器都布置在抽出管路中。这些传感器可以分别检测相同或不同的材料特性，从而可以借此对测量值进行验证或者可以基于不同值确定火焰的状态。

除了上述材料特性之外，单个传感器或多个传感器可以用于检测密度或声速作为流过所述抽出管路的气体的材料特性，使得所述分析单元可以通过传输通过一个或多个传感器检测到的相应测量值由相应材料特性来确定火焰的存在。

如上所述，一种有利的改进方案提出，所述燃料是氢气混合物或者优选为纯氢气，其中纯氢气也指仅略有杂质的基本上纯净的氢气。氢-CH4-混合物例如可用作氢气混合物。

除了对特别是纯氢气或氢气混合物的气体燃烧进行监测之外，其他气态燃料或气体也可被视为可以用于所述方法的气态燃料。在此情况下，重要的是，环境空气、废气和气态燃料之间的材料热特性具有足够的差异，以便可以由相应的传感器可靠地进行检测并根据分析单元中的相应测量值进行区分。借此，特别是可以将天然气用作所提出的方法中的气态燃料。就大多数液化气体而言，废气和燃料-空气-混合物由于与环境空气相比热导率较低而无法清楚地加以区分。

因此，所述方法特别是适用于在气体燃烧期间对火焰进行监测，该气体燃烧使用气态燃料，其主要成分是氢或由氢和第二气体族的气体(天然气)构成的混合物或具有空气与丙烷的混合物的第二气体族的气体(天然气)，其中该空气与丙烷的混合物体积分数总体上小于40％。

一种变体是特别有利的，其中，传感器用于检测流过抽出管路的气体的热导率k和/或导温系数a，因为在流过抽出管路的气体有所不同的情况下，该热导率和该导温系数有很大差别，因此很容易检测到变化。

根据具体使用的传感器的工作参数，该传感器可以具有特定的允许温度范围，在该温度范围内，该传感器可以工作。此外，有利的是，总是在预定的或至少恒定的温度下测量材料特性。因此，如果废气流或一般而言流过抽出管路的气体过热，则在一种有利的改进中可以提出，通过沿从燃烧室穿过抽出管路到传感器的流动路径布置在该传感器前面的冷却装置对流过抽出管路的气体进行冷却。在此情况下，该冷却装置可以用于将气体冷却到特定温度或者以预定温差对气体进行冷却，使得经过传感器的气体的温度优选在传感器或材料特性测量所允许的温度范围内。

此外同样有利的是，可以通过节流元件来控制流过抽出管路的气体的体积流量或一般而言流过抽出管路的气体的流动或气体量。为此，加热设备优选包括节流元件，该节流元件沿从燃烧室穿过抽出管路到传感器的流动路径布置在传感器后面或前面。

所述抽出管路优选从燃烧室经由传感器通向邻接加热设备的环境，其中所述抽出管路具有朝向环境的出口。在此，节流元件相应地沿气体的流动路径布置在传感器后面或前面以及布置在该出口前面。

此外，为了实际检测到燃烧过程中产生的废气或将其导入抽出管路，还优选的是，所述抽出管路在所述燃烧室中具有一个入口并且优选恰好具有一个布置在火焰或产生火焰的燃烧器的紧邻环境中的入口，使得燃烧过程中产生的废气直接通过该入口流入抽出管路并通过抽出管路被导引至传感器。

此外，一种特别有利的改进方案提出，所述加热设备具有主排气管路，例如烟囱。燃烧过程中产生的废气的第一分流在燃烧过程中流过抽出管路，第二分流在燃烧过程中流过主排气管路。特别是结合抽出管路中的节流元件可以控制分流比例。优选地，通过主排气管路的分流大于通过抽出管路的分流，该抽出管路基本上仅用于输送旨在用于火焰监测的废气流。

作为替代方案，所述抽出管路可以集成式地用作主排气管路或烟囱，因此，加热设备并不具有两个单独的管路，而是仅具有一个用作烟囱的抽出管路。

在所述方法的一种同样有利的技术方案中，在开始燃烧之前借助环境空气对所述燃烧室和所述抽出管路进行冲扫。在此情况下，由传感器来测量环境空气的材料特性，然后可以将这些材料特性用作参考值并且例如在开始燃烧的每次点火之前将其储存在分析单元中。

在相同的温度下，水蒸气-氮-氧-混合物(废气)的热特性或者例如热导率k或导温系数a低于环境空气。如果在工作期间发生火焰中断，则未燃烧的燃料-空气-混合物会经过传感器。该未燃烧的燃料-空气-混合物的热特性或者特别是其热导率k或其导温系数a远高于废气或环境空气的对应特性。

为了能够根据所测得的材料热特性进行火焰监测，基本上可以使用两种变体，但也可以将其组合在一起以提高安全性。

在第一变体中，所述分析单元优选在整个操作期间连续地或以预定的间隔将测量值或传感器所传输的测量值与至少一个预定的阈值或至少一个值范围进行对比并且根据测量值的对比或这些测量值确定该抽出管路是否被环境空气、未燃烧的燃料-空气-混合物或废气流过。

可以将不同气体的所测得的材料热特性的显著差异映射在阈值或值范围中，从而可以在低于或超过这些值的情况下，确定哪种气体或气体混合物沿传感器流动并且相应地确定火焰是在燃烧还是熄灭。

第二变体提出，所述分析单元根据时间上相继测定的两个或多个测量值来确定测量值的变化率。在稳定工作期间，该变化率应基本为“0”，因此，可以根据变化率的变化、变化率的大小或者甚至仅根据该变化率的符号来确定火焰是否存在变化。如果相应地确定或跟踪自燃烧开始起的变化率，则可以由此确定火焰是否已熄灭或正在燃烧。在该变体中，相应地根据该变化率确定该抽出管路是否被环境空气、未燃烧的燃料-空气-混合物或废气流过。如果根据该变化率进行监测，则可以设有公差范围，使得较小的波动不会导致非希望的燃料供应中断。还可以测定变化率并在工作期间对其进行累加，其中在该变化率超过预定极限值或阈值时，可以假定火焰熄灭。

本发明的另一方面涉及一种加热设备，其具有燃烧室、分析单元、可被燃烧室中在燃烧期间产生的废气流过的抽出管路和布置在所述抽出管路中的传感器，所述传感器用于通过检测测量值来检测流过所述抽出管路的气体的材料热特性。在此情况下，用于传输该测量值或这些由传感器随时间而测定的测量值的传感器与分析单元连接。此外，该分析单元用于根据该测量值或这些测量值确定该抽出管路是否被环境空气、未燃烧的燃料-空气-混合物或废气流过，从而确定火焰是否正在燃烧室中燃烧或已熄灭。

所述加热设备优选用于实施根据本发明的方法。

上述已揭露的特征可以任意进行组合，只要这在技术上是可行的并且这些特征彼此不矛盾即可。

附图说明

本发明的其它有利的改进方案在从属权利要求中表征，下面将参照附图结合对本发明的优选实施方法的描述进行详细说明。其中：

图1为加热设备的第一变体；

图2为加热设备的第二变体；

图3为加热设备的第三变体；

图4为不同气体的材料热特性。

具体实施方式

这些附图是示意性的示例。在这些附图中，相同的附图标记表示功能和/或结构相同的特征。

图1示出根据本发明的加热设备1的第一变体，借助所述加热设备可以实施根据本发明的方法。

传感器12测量在燃烧期间在燃烧室10中产生的废气的材料热特性，通过抽出管路11将废气从燃烧室10传导至环境2。在此情况下，通过抽出管路11的流量是部分流量，因为设有烟囱作为主排气管路16，在燃烧期间，废气也通过所述烟囱从燃烧室10流入环境2中。对传感器12施加从燃烧室10中抽出的废气分流，从而可以通过该废气分流检测流经该传感器的气体或气体混合物的材料热特性。

在燃烧器15的紧邻环境中进行废气抽出，使得燃烧期间产生的废气直接流入抽出管路11中，抽出管路也可以被称为抽气管路。

燃烧室10内部的压力高于环境2中的压力，使得废气因压力差而从燃烧室10被输出。

此外，设有节流元件14，通过该节流元件可以调节和控制通过抽出管路11的废气流或废气分流。

在图1所示变体中，还设有可选的冷却装置13，通过该冷却装置可以在流过抽出管路11的气体碰到传感器12之前对该气体进行冷却。通过冷却气体使得碰到传感器12的气体具有优选恒定的温度，因此，在不同气体上测得的材料热特性是可比较的。

在图1所示实施方式中，加热设备还具有热交换器17，通过该热交换器可以将燃烧过程中产生的热量从燃烧器15或燃烧室10中排出并使其变得可用。

此外，在当前情况下，设有冷凝液排出部18，通过该冷凝液排出部可以将积聚在燃烧室10中的冷凝液从燃烧室10中排出。

除了如图1所述的组件之外，图2所示优选构造为燃气锅炉的加热设备1的变体还具有两个传感器12'、12”，其用于测定流过废气管路11的气体的其他特性。在此情况下是温度传感器12'和压力传感器12”。在该示例性示出的变体中，将由三个传感器12、12'、12”测得的测量值分别传输至分析单元，该分析单元根据所有测量值确定火焰是否已被熄灭。为此，例如可以基于通过温度传感器12'测得的与该值对应的温度以及通过压力传感器12”测得的同样相关的压力对由传感器12测得的值进行归一化，使得由传感器12测得的不同值具有可比性并且必要时可以与储存在分析单元中的表格或所储存的特性值进行匹配，从而可以借此再次可靠地测定抽出管路中的气体是否为废气、环境空气或未燃烧的燃料-空气-混合物或者火焰是否已熄灭或存在。

在如图1所示的变体中以及在如图2所示的变体中，节流元件14也可以替代性地沿流动方向布置在可选的冷却装置13的上游，或者，如果未设有冷却装置13，则布置在传感器12或传感器12、12'、12”的上游。

图3示出加热设备1的变体，其中，如在图2所示变体中那样，沿抽出管路11设有三个传感器12、12'、12”，然而在此情况下，这三个传感器集成至主排气管路16或烟囱16中。因此，没有单独的抽出管路11或单独的主排气管路16。然而，在主排气管路16中可以设有仅被部分气体流过的分离出的区域，在该区域中布置传感器12、12'、12”并进行测量。此外，图3所示实施方式不具有冷却装置13，其中可以通过借助温度传感器12'来测量温度而将气体的温度波动考虑在内。

图4示出流经传感器12的介质的热导率k或导温系数a的对比，即邻接加热设备1的环境2中的环境空气B、未燃烧的燃料-空气-混合物C或在燃烧期间产生的废气A的热导率k或导温系数a的对比，从而阐明借助分析单元进行火焰监测的功能原理。

通过在图4中描绘恒定温度下不同气体的材料热特性，可以清楚地看出，可以流经传感器12的基本上三种不同气体的热特性在相同的温度以及优选相同的压力或气压下彼此明显有所不同，因此，可以根据所测得的材料特性来彼此区分这些气体。废气A的材料热特性低于环境空气B的材料热特性。如果在工作期间发生火焰中断，即火焰熄灭，则未燃烧的氢-空气-混合物或燃料-空气-混合物C会经过传感器12，从而超过示例性示出的阈值X。因此，如果测量值超过阈值X，则例如可以识别出火焰熄灭并且可以停止燃料供应。

除了废气A和未燃烧的燃料-空气-混合物C的材料热特性之外，还示出了环境空气B的材料特性，在借助环境空气B对抽出管路11进行冲扫时，例如可以在点火燃烧之前检测环境空气的这些材料特性作为参考值。此外，通过相应选择的阈值可以确定在燃烧开始之前，即在点火之前，或者在火焰熄灭之后是否已完成了对燃烧室的冲扫。

如果低于或超过相应选择的极限值或阈值，则可以探测相应的气体A、B或C并得出存在火焰的结论。

本发明的实施方案并不局限于上述优选的实施例。确切而言，也可以采用所示解决方案的同样适用于根本上不同的实施方案的多种变体。

Claims (14)

1.一种在借助气态燃料进行工作的加热设备(1)的燃烧室(10)中在气体燃烧期间监测火焰的方法，所述加热设备具有分析单元、在燃烧期间流被废气流过的抽出管路(11)和布置在所述抽出管路(11)中的用于检测流过所述抽出管路(11)的气体的材料热特性的传感器(12)，

其中流过所述抽出管路(11)的气体是邻接所述加热设备(1)的环境(2)中的环境空气(B)、未燃烧的燃料-空气-混合物(C)或燃烧期间产生的废气(A)，

且其中所述传感器(12)将所测得的测量值传输至所述分析单元，所述分析单元通过所述测量值确定所述抽出管路(11)是否被环境空气(B)、所述未燃烧的燃料-空气-混合物(C)或废气(A)流过，从而确定火焰是否在燃烧或已熄灭。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述燃料的主要成分是氢，并且所述燃料特别是为纯氢气，或者

其中所述燃料是由氢和第二气体族的气体以及空气和丙烷构成的混合物，其中在所述混合物中，空气和丙烷组分的体积分数总体上小于40％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中所述传感器(12)用于检测流过所述抽出管路(11)的气体的热导率k和/或导温系数a。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述加热设备(1)具有多个布置在所述抽出管路(11)中的用于检测流过所述抽出管路(11)的气体的材料热特性的传感器(12)，所述传感器分别用于检测相同或不同的材料热特性。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述加热设备(1)具有至少一个布置在所述抽出管路(11)中的用于检测所述抽出管路(11)中的边界条件的附加传感器(12'、12”)，

其中所述至少一个附加传感器(12'、12”)将所测得的边界条件作为测量值传输至所述分析单元，

且其中所述分析单元通过所述至少一个附加传感器(12'、12”)所测得的边界条件对所述传感器(12)所测得的材料热特性进行归一化。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中通过沿从所述燃烧室(10)穿过所述抽出管路(11)到所述传感器(12)的流动路径布置在所述传感器(12)前面的冷却装置(13)对流过所述抽出管路(11)的气体进行冷却。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中通过沿从所述燃烧室(10)穿过所述抽出管路(11)到所述传感器(12)的流动路径布置在所述传感器(12)后面或前面的节流元件(14)来控制流过所述抽出管路(11)的气体的体积流量。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述抽出管路(11)在所述燃烧室(10)中具有一个入口，其布置在所述火焰或产生所述火焰的燃烧器(15)的紧邻环境中，使得燃烧过程中产生的废气直接通过所述入口流入所述抽出管路(11)并通过所述抽出管路(11)被导引至所述传感器(12)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述加热设备(1)具有主排气管路(16)，并且

在燃烧过程中产生的废气的第一分流在燃烧过程中流过所述抽出管路(11)，第二分流在燃烧过程中流过所述主排气管路(16)。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中在开始燃烧之前借助环境空气对所述燃烧室(10)和所述抽出管路(11)进行冲扫，

并且在冲扫过程中，由所述传感器(12)来测量所述环境空气的材料特性。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述分析单元将所述测量值与至少一个预定的阈值(X)或至少一个值范围进行对比并且根据所述测量值的对比确定所述抽出管路(11)是否被环境空气(B)、所述未燃烧的燃料-空气-混合物(C)或废气(A)流过。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述分析单元根据两个或多个相继测定的测量值来确定所述测量值的变化率，

且其中根据所述变化率确定所述抽出管路(11)是否被环境空气(B)、所述未燃烧的燃料-空气-混合物(C)或废气(A)流过。

13.一种加热设备(1)，其具有燃烧室(10)、分析单元、能被所述燃烧室(10)中在气态燃料的气体燃烧期间产生的废气流过的抽出管路(11)和布置在所述抽出管路(11)中的传感器(12)，所述传感器用于通过检测测量值来检测流过所述抽出管路(11)的气体的材料热特性，

其中用于传输所述测量值的传感器(12)与所述分析单元连接，所述分析单元用于根据所述测量值确定所述抽出管路(11)是否被环境空气(B)、未燃烧的燃料-空气-混合物(C)或废气(A)流过，从而确定所述燃烧室(10)中的火焰是否正在燃烧或已熄灭。

14.根据前一项权利要求所述的加热设备，

其中所述加热设备(1)用于实施根据权利要求1至12中任一项所述的方法。

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