DE102004030300A1

DE102004030300A1 - Verfahren zur Einstellung eines Betriebsparameters einer Feuerungseinrichtung und Feuerungseinrichtung

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Publication number: DE102004030300A1
Application number: DE102004030300A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Tungl; Ulrich Geiger; Martin Geiger
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Die von einer Feuerungseinrichtung, insbesondere einem Gasbrenner, erzeugte Temperatur hängt vom Wert eines Betriebsparameters, insbesondere dem Mischungsverhältnis zwischen dem der Feuerungseinrichtung zugeführten Luft-Gasgemisch, in der Weise ab, dass bei einem bestimmten Parameterwert ein Maximum der von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur auftritt. Das Verfahren zur Einstellung des Parameters erfolgt durch Ermittlung dieses Temperaturmaximums T¶1¶ des entsprechenden Parameterwerts lambda¶1¶ und, ausgehend von diesem Wert, die Einstellung des gewünschten Zielparameters lambda¶z¶. Aus dem ermittelten Zusammenhang zwischen den Solltemperaturen T¶soll¶ bei verschiedenen vorgegebenen Brennerleistungen kann eine Kennlinie ermittelt werden, die den Zusammenhang zwischen den entsprechenden Luftmassenströmen und den Solltemperaturen bei optimalem Mischungsverhältnis lambda¶z¶ darstellt. Die Feuerungseinrichtung ist der Durchführung des Verfahrens angepasst. Insbesondere weist sie im Wirkungsbereich der Brennerflamme einen Temperatursensor auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Betriebsparameters einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur von dem Wert des Betriebsparameters abhängt und bei einem bestimmten Parameterwert ein Maximum aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung eines Betriebsparameters einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, sowie eine Feuerungseinrichtung, insbesondere einen Gasbrenner, der zur Durchführung eines Verfahrens angepasst ist.

Im Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer, für die Bereitung von Warmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme u.ä. eingesetzt. In den jeweiligen Betriebszuständen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere die Leistungsabgabe des Brenners und die von der Brennerflamme erzeugte Temperatur. Die Leistungsabgabe und die erforderliche Temperatur werden beispielsweise beim Betreiben eines Durchlauferhitzers geringer sein als beim Erzeugen von Warmwasser in einem Kessel.

Die Leistungsabgabe wird im wesentlichen durch die Einstellung der Zufuhr von Brenngas und Luft, und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft bestimmt. Auch die von der Flamme erzeugte Temperatur ist unter anderem eine Funktion des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme der Luft und des Gases angegeben werden.

Die Einstellung des Mischungsverhältnisses erfolgt, insbesondere bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch pneumatische Steuerung von Ventilen zur Einstellung der Luft- und Gaszufuhr (Prinzip des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Steuerung werden Drücke oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen gemessen. Diese Größen werden als Steuergrößen für wenigstens ein pneumatisches Gasregelventil, durch das beispielsweise die Gaszufuhr zum Luftstrom eingestellt wird, verwendet. Nachteilhaft an der pneumatischen Steuerung ist jedoch insbesondere, dass empfindliche mechanische Bauteile eingesetzt werden müssen, die auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders bei niedrigen Arbeitsdrücken kommt es zu Ungenauigkeiten in der Steuerung, so dass das Gebläse stets einen bestimmten Mindestdruck erzeugen muss, um eine ausreichend präzise Regelung zu erreichen. Außerdem ist der Aufwand bei der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten pneumatischen Gasregelventile wegen der hohen Präzisionsanforderungen beachtlich. Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen der Gasart und -qualität nicht flexibel reagiert werden. Um gewünschte Anpassungen der Gaszufuhr dennoch vornehmen zu können, müssen zusätzliche elektronische Einrichtungen, z.B. Stellglieder, bereitgestellt werden, was jedoch zusätzlichen Aufwand bedeutet.

Aus diesen Gründen ist man dazu übergegangen, Gasbrenner mit einem elektronischen Verbund auszustatten. Bei elektronischer Steuerung können einfach steuerbare Ventile, etwa mit pulsweitenmodulierten Spulen oder mit Schrittmotoren, eingesetzt werden, um ein bestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen. Im elektronischen Verbund kann auf Änderungen der Gasqualität flexibel reagiert werden.

Für jeden vorgegebenen Luft-Massenstrom bzw. Gas-Massenstrom lässt sich ein Mischungsverhältnis angeben, bei dem die Effektivität der Verbrennung maximiert wird, d.h. bei dem der Brennstoff möglichst vollständig und sauber verbrennt. Optimale Verbrennung bedeutet gleichzeitig eine Maximierung des Wirkungsgrades der Anlage. Das optimale Mischungsverhältnis hängt unter anderem von der Brennstoffzusammensetzung und -qualität ab. Aus diesem Grund ist es wichtig, das Mischungsverhältnis in zeitlichen Abständen zu bestimmen und die Massenströme von Gas und Luft so einzustellen und zu regeln, dass ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Die Bestimmung des optimalen Verhältnisses erweist sich jedoch häufig als schwierig, da sich die Be triebsbedingungen nach der Inbetriebnahme des Geräts laufend ändern können.

In der EP 770 824 B1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe einer Ionisationselektrode ein Kalibrierzyklus zum Nachzustellen des elektrischen Sollwerts der Ionisationselektrode durchlaufen wird. Dadurch sollen Änderungen der thermischen Kopplung zwischen der Ionisationselektrode und dem Gasbrenner, die beispielsweise auf Grund von Verschleiß, Verbiegen und auf Grund von Verschmutzungen entstehen, ausgeglichen werden.

Mit diesem Verfahren, das alleine auf das Signal der Ionisationselektrode zurückgreift, ist es jedoch nicht möglich, ein definiertes Gas-Luftverhältnis genau zu bestimmen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Möglichkeit zu schaffen, einen Zielwert für das Luft-Gas-Verhältnis möglichst einfach und zuverlässig in ausgewählten Zeitabständen zu bestimmen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 13 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17.

Bei dem Verfahren zur Einstellung eines Betriebsparameters einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur von dem Wert des Betriebsparameters abhängt und bei einem bestimmten Parameterwert ein Maximum aufweist, wird nach Ermittlung des dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwerts ein gewünschter Zielparameterwert eingestellt.

Ausgehend von einem zufällig oder dem zuletzt eingestellten Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff wird die ses Mischungsverhältnis, beispielsweise durch kontinuierliche Erhöhung der Luftmenge bei konstanter zugeführter Gasmenge, oder durch Veränderung der pro Zeiteinheit zugeführten Gasmenge bei konstanter Luftmenge, kontinuierlich oder schrittweise verändert. Durch Ermittlung und Erfassung der im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessenen Ist-Temperaturen in Abhängigkeit von dem eingestellten Mischungsverhältnissen werden der maximale Temperaturwert sowie das dazugehörige Mischungsverhältnis bestimmt. Anschließend wird das bestimmte Mischungsverhältnis zwischen Luft- und Gasmenge mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert, um den Zielwert für das Mischungsverhältnis zu erhalten. Der Faktor kann entweder empirisch ermittelt oder theoretisch berechnet werden. Der Faktor hängt im wesentlichen von den stöchiometrischen Verhältnissen zwischen den im Luft-Gasgemisch enthaltenen Stoffen ab. Das Mischungsverhältnis wird durch Veränderung der zugeführten Luftmenge bei konstanter zugeführter Gasmenge oder durch Veränderung der Gasmenge bei konstanter zugeführter Luftmenge eingestellt. Auf diese Weise wird ein optimales Mischungsverhältnis für jede gewünschte Brennerleistung bei unterschiedlichen Gasqualitäten, aber auch bei Veränderung von Einstellungen bzw. bei einer Änderung der Charakteristika der am Gasbrenner angeordneten Sensoren, genau, sicher und zuverlässig eingestellt. Damit wird stets eine optimale Verbrennung und damit ein maximaler Wirkungsgrad des Gasbrenners gewährleistet.

Insbesondere wird der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert durch Variation des Parameterwerts, beginnend von einem Anfangswert bis zu einem Endwert, und Erfassung von der Feuerungseinrichtung erzeugter gemessener Temperaturwerte ermittelt, wobei der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert bei der Variation wenigstens einmal über- bzw. unterschritten wird. Für verschiedene Einstellungen des Parameters werden die Ist-Temperaturen aufgenommen und in Abhängigkeit von dem entsprechenden Parameterwert abgespeichert. Nach Überschreiben des Temperaturmaximums kann der Vorgang abgebrochen werden. Durch einen entsprechenden Algorithmus bzw. durch Vergleich der abgespeicherten Temperaturwerte werden der maximale Temperaturwert und der entsprechende Parameterwert ermittelt. Auf Basis dieses Werts wird dann der Zielparameterwert eingestellt.

Bevorzugt wird der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert durch die Erfassung einer Änderung des Vorzeichens der ersten Ableitung einer Kurve, die die Abhängigkeit der von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperaturwerte von den Parameterwerten darstellt, bestimmt. In dieser Ausführungsform wird der Parameterwert variiert. Durch einen entsprechenden Algorithmus kann für jeden Parameterwert die erste Ableitung bzw. der Differenzial errechnet werden. Beispielsweise kann ein erster Parameterwert und der bei diesem ersten Parameterwert ermittelte Temperaturwert gespeichert werden. Der Parameterwert wird daraufhin um einen relativ geringen Betrag variiert und der dazugehörige Temperaturwert ermittelt. Die erste Ableitung bzw. das Differenzial ergibt sich dann als Quotient aus der Differenz zwischen den ermittelten Temperaturen und der Differenz zwischen den entsprechenden Parameterwerten. Sobald dieser Wert Null wird bzw. sein Vorzeichen ändert, ist das Temperaturmaximum und der dazugehörige Parameterwert bestimmt, bzw. das Temperaturmaximum überschritten worden.

Der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert kann insbesondere durch eine iterative Annäherung des Parameterwerts an den dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwert ermittelt werden. Iteration bedeutet in diesem Zusammenhang jede schrittweise Annäherung an das Temperaturmaximum bzw. den zum Maximum gehörenden Parameterwert. Dabei kann ein geeigneter Iterationsalgorithmus verwendet werden.

Das Verfahren umfasst insbesondere wenigstens einen weiteren Variationsschritt, bei dem der Parameterwert, ausgehend von dem zuletzt erreichten Endwert, unter Über- bzw. Unterschreitung des dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwerts variiert wird, wobei der Abstand zwischen Anfangs- und Endwert bei jeder Wiederholung des Variationsschrittes verringert wird. Durch dieses Verfahren wird das Temperaturmaximum bzw. der dazugehörige Parameterwert mit jeder Wiederholung genauer eingegrenzt. Auf diese Weise kann zunächst eine grobe Abschätzung der Lage des Temperaturmaximums vorgenommen werden. Mit jedem Überschreiten des Temperaturmaximums wird dann eine genauere Bestimmung durchgeführt.

Der genannte Verfahrensschritt wird bevorzugt wiederholt, bis der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert innerhalb einer vorgegebenen Toleranz bestimmt werden kann.

Der Variationsschritt wird insbesondere wiederholt, bis der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert innerhalb einer vorgegebenen Toleranz bestimmt werden kann.

Der Variationsschritt kann n-mal wiederholt werden, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist. Dies bedeutet, dass die Zahl der Wiederholungen des Annäherungsschritts an das Temperaturmaximum vorbestimmt ist.

Der Parameterwert ist insbesondere das Verhältnis einer Luftmenge zu einer Menge an Verbrennungsmedium in einem der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zuzuführenden Gemisch aus Luft und Verbrennungsmedium. Während das Verfahren prinzipiell auch zur Bestimmung anderer Betriebsparameter geeignet ist, die eine ähnliche Charakteristik zeigen, wie die Temperaturabhängigkeit vom Mischungsverhältnis, bezieht sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich auf die Bestimmung des optimalen Mischungsverhältnisses zwischen Luft und Verbrennungsmedium. Dieser Wert ist für einen effektiven Betrieb des Brenners besonders kritisch. Insbesondere bei Schwankungen der Qualität des Verbrennungsgases sollte eine Neueinstellung des Mischungsverhältnisses vorgenommen werden, um eine möglichst saubere Verbrennung zu erreichen. Ein Nachstellen des Parameters kann dabei beispielsweise in periodischen Zeitabständen, bei einem Lastwechsel, beim Betriebsstart, oder bei einer Wartung des Geräts durchgeführt werden.

Alternativ kann der Parameterwert beispielsweise auch dem Flammenabstand zur Brennerdüse bzw. -fläche entsprechen.

Der Parameterwert kann durch Erhöhung des Massenstroms bzw, des Volumenstroms der Luft oder des Verbrennungsmediums verändert werden. Über die Einstellung entsprechender Gasventile, insbesondere im elektronischen Verbund, kann auf einfache Weise das Mischungsverhältnis erhöht bzw. erniedrigt werden. Dabei wird insbesondere die Einstellung der Zufuhr des jeweils anderen Mediums bzw. die Einstellung des entsprechenden Gasventils konstant gehalten.

Der Massen- bzw. Volumenstrom der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luft und des der Feuerungseinrichtung zugeführten Verbrennungsmediums wird bevorzugt alternierend verändert, insbesondere erhöht. Nachdem eine Überschreitung des Temperaturmaximums registriert worden ist, muss das Mischungsverhältnis in umgekehrter Richtung erhöht werden, um sich dem Temperaturmaximum von der anderen Seite erneut anzunähern. Ist beispielsweise das Mischungsverhältnis zu Beginn des Verfahrens oberhalb des dem Temperaturmaximum entsprechenden Werts eingestellt, so wird zunächst bei konstanter Einstellung des Luftventils und/oder der Ventilatordrehzahl des Brennergebläses das Gasventil so weit geöffnet, bis ein Wert unterhalb des dem Temperaturmaximum entsprechenden Werts erreicht wird. Daraufhin wird die Gasventileinstellung beibehalten und die Luftzufuhr, beispielsweise durch Erhöhung der Ventilatordrehzahl oder durch Veränderung der Ventilöffnung der Luftzufuhr, erhöht. Nach erneuter Überschreitung des Maximums kann der Vorgang wiederholt werden, bis der Maximalwert eindeutig ermittelt werden kann.

Aus den von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperaturwerten kann in Abhängigkeit von den Parameterwerten eine erste Kennlinie erstellt werden. Dazu werden die gemessenen Temperaturwerte in Abhängigkeit vom variierten Parameterwert in einer Tabelle oder in einer anderen Darstellung, beispielsweise in einer graphischen Darstellung, abgespeichert. Bei Bedarf kann auf diese Kennlinie zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann zum Nachregulieren des Zielparameterwerts auf den aus der Kennlinie bekannten, der maximalen Temperatur entsprechenden Parameterwert zurückgegriffen werden. Ausgehend von dieser Einstellung wird durch Öffnung eines Ventils um einen vorgegebenen Faktor der Zielparameterwert eingestellt.

Eine weitere Kennlinie wird durch Wiederholung des Verfahrnes, wie es oben geschildert wurde, bei verschiedenen Brennerleistungen erstellt. Diese Kennlinie zeigt eine Abhängigkeit zwischen der von der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit erzeugten Brennerleistung oder der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luftmenge oder eines Differenzdrucks an einer Blende oder einem Drosselventil und der entsprechenden Solltemperatur. Bei der Verwendung einer derartigen Kennlinie kann der Zielparameterwert in einfacher Weise dadurch ermittelt und/oder eingestellt werden, dass bei vorgegebener Leistung einer oder mehrere Betriebsparameter so lange verändert werden, bis sich die zur Leistung gehörenden Solltemperatur einstellt. Insbesondere kann das Luft-Gasverhältnis verändert werden, bis eine Ist-Temperatur eingestellt ist, die der Solltemperatur entspricht. Auf diese Weise kann bei einem Lastwechsel auf bereits bekannte gemessene Zielparameter zurückgegriffen werden, ohne dass das oben beschriebene Verfahren für jede neu eingestellte Leistung durchgeführt werden muss. Die Kennlinie kann insbesondere bei Lastwechseln verwendet werden, die innerhalb einer kurzen Zeitdauer durchgeführt werden, in der die Brennstoffqualität und/oder die Betriebseinstellungen und/oder die am Gasbrenner eingesetzten Sensoren keine erheblichen Änderungen erfahren. Jedoch sollte die Kennlinie in bestimmten Zeitabständen bzw. beim Eintreten bestimmter Bedingungen neu aufgenommen werden, insbesondere wenn anzunehmen ist, dass neue Randbedingungen vorliegen.

Die Kennlinie wird insbesondere in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom erstellt. Der Luftmassenstrom kann durch einen entsprechenden im Luftzufuhrabschnitt des Brenners angeordneten Sensor gemessen werden.

Bei einer bestimmten von der Feuerungseinrichtung erzeugten Brennerleistung kann das eingangs geschilderte Verfahren zur Bestimmung des Zielparameterwerts durchgeführt werden, um einen Wert der zweiten Kennlinie zu ersetzen. Auf diese Weise muss nicht die gesamte zweite Kennlinie stets neu aufgenommen werden, wenn eine Anpassung an die Randbedingungen stattfinden soll. Vielmehr kann eine Anpassung der zweiten Kennlinie durch Ersatz einzelner Werte, beispielsweise besonders kritischer Werte, durchgeführt werden.

Bevorzugt wird eine vom Gasbrenner erzeugte Temperatur gemessen, und unter Verwendung der erstellten zweiten Kennlinie bei einem vorgegebenen Parameter, der einer bestimmten Brennerleistung entspricht, wenigstens ein Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung so lange verändert, bis die vom Gasbrenner erzeugte Temperatur der aus der Kennlinie ermittelten Solltemperatur entspricht. Bei einem Lastwechsel, beispielsweise beim Übergang von einem ersten in einen zweiten Betriebszustand, findet ein Regelungsvorgang statt, bei dem insbesondere die Luft und/oder Gaszufuhr variiert wird, bis die aus der zweiten Kennlinie für die entsprechende Brennerleistung ausgelesene Solltemperatur erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung, insbesondere ein Gasbrenner, ist zur Durchführung eines der oben genannten Verfahren angepasst.

Insbesondere weist die Feuerungseinrichtung einen Temperatursensor im Wirkungsbereich der Brennerflamme der Feuerungseinrichtung auf. Der Temperatursensor kann dabei im Flammenkern, am Flammenfußpunkt, an der Flammenspitze, jedoch auch in einiger Entfernung von der Flamme, beispielsweise am Brennerblech selbst, angeordnet seien.

Außerdem weist die Feuerungseinrichtung bevorzugt ein Gasventil mit einem Stellglied, insbesondere mit einem Schrittmotor, einer pulsweitenmodulierten Spule oder mit einer durch eine elektrische Größe gesteuerten Spule, auf. Da das Verfahren insbesonders für den elektronischen Verbund geeignet ist, können die genannten Ventile, die einfach und präzise betätigbar sind, eingesetzt werden.

Die Feuerungseinrichtung kann wenigstens einen Massenstromsensor und/oder Volumenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge und/oder der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Brennstoffmedium und/oder der Menge des zugeführten Gemisches aus Luft und Brennstoffmedium aufweisen.

Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine Feuerungseinrichtung gemäß der Erfindung;
2 eine Kennlinie zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine weitere Kennlinie zur Verdeutlichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt einen Gasbrenner, bei dem ein Gemisch aus Luft L und Gas G vorgemischt und verbrannt wird.
Der Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den Verbrennungsluft L angesaugt wird. Ein Massenstromsensor 2 misst den Massenstrom der von einem Gebläse 9 angesaugten Luft L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass in seiner Umgebung eine möglichst laminare Strömung erzeugt wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der Massenstromsensor in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung eines Laminarelements angeordnet werden.
Mittels eines Ventils 3, beispielsweise eines pulsweitenmodulierten oder elektronisch gesteuerten Ventils, das z.B. mit einem Stellglied mit Schrittmotor ausgestattet ist, kann die Luftzufuhr zu einem Mischbereich 8 gesteuert werden. Da der Brenner nach dem Prinzip des elektronischen Verbunds geregelt wird, sind derartige kostengünstige und zuverlässige Ventile einsetzbar.
Für die Gaszufuhr ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung angeschlossen ist. Das Gas strömt während des Betriebs des Gasbrenners durch den Abschnitt 4, in dem sich ebenfalls ein Massenstromsensor 5 befindet.
Durch ein Ventil 6, das wie das Ventil 3 ein elektronisch gesteuertes Ventil sein kann, strömt das Gas durch eine Leitung 7 in den Mischungsbereich 8. Im Mischungsbereich 8 findet eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator des Gebläses 9 wird mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft L als auch das Gas G anzusaugen.
Die Ventile 3 und 6 sind so eingestellt, dass bei Berücksichtigung der übrigen Betriebsparameter, beispielsweise der Drehzahl des Ventilators, ein vorgegebenes Luft-Gas-Verhältnis in den Mischbereich 8 gelangt. Das Luft-Gas-Verhältnis soll dabei so gewählt sein, dass eine möglichst saubere und effektive Verbrennung stattfindet.
Über eine Leitung 10 strömt das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13, die eine vorgegebene Wärmeleistung abgeben soll. Der Wirkungsgrad des Gasbrenners hängt vom Aufbau des Geräts, aber auch von der Zusammensetzung des Luft-Gas-Gemisches ab.
Am Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des optimalen Mischungsverhältnisses zwischen Luft und Brenngas verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 an einer Oberfläche des Brennerteils 11 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich der Flamme 13 anzuordnen. Die Referenztemperatur des Thermoelements wird an einer Stelle außerhalb des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
Eine nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des Luft- und/oder Gasstroms erhält Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und von den Massenstromsensoren 2 und 5 und gibt Steuersignale an die Ventile 3 und 6 sowie an den Antrieb des Gebläses 9 ab. Die Öffnung der Ventile 3 und 6 und die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 werden so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr ergibt.
Die Steuerung erfolgt dabei durch Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens. Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen Speicher zum Abspeichern von Kennlinien bzw. von Sollwerten sowie eine entsprechende Datenverarbeitungseinheit auf, die zur Durchführung des Verfahrens ein gerichtet ist.
Anhand der in der 2 dargestellten Kennlinie soll das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben werden.
In 2 ist die Temperatur in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis λ zwischen der dem Gasbrenner zugeführten Luftmenge und der dem Gasbrenner zugeführten Gasmenge dargestellt. λ kann auch als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme von Luft bzw. Gas ausgedrückt werden.
Zu Beginn des Verfahrens ist ein bestimmtes Mischungsverhältnis λ_s eingestellt. Dieses Verhältnis könnte beispielsweise der zuletzt am Gasbrenner eingestellte Wert sein. Im vorliegenden Fall liegt λ_s oberhalb eines Werts λ₁, bei dem sich ein Temperaturmaximum T₁ ergibt. Ausgehend von λ_s wird bei dem Verfahren nun das Mischungsverhältnis gesenkt. Dies geschieht beispielsweise, indem bei konstantem Luftmassenstrom m_L/t der Massenstrom an Brenngas m_G/t erhöht wird. Die Veränderung des Gasstroms m_G/t kann dabei beispielsweise schrittweise unter Variation der Schritte des Schrittmotors eines Gasventils durchgeführt werden. Das Mischungsverhältnis wird z.B. in gleichbleibenden Abständen Δλ₁ schrittweise abgesenkt. Bei jeder Absenkung um den Wert Δλ₁ soll eine Temperaturmessung durchgeführt und ein Messpunkt erfasst werden. Bei der Messung wird ein Wert λ festgehalten und mit dem Temperatursensor 12, der im Bereich der Brennerflamme angeordneten ist, die Ist-Temperatur T_ist bestimmt und ebenfalls erfasst.
Das Mischungsverhältnis λ wird um den Wert Δλ₁ abgesenkt und die entsprechende Temperatur erfasst. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis ein Endwert λ_e erreicht ist.
Wie in 2 dargestellt, liegt λ_e jenseits des der maximalen Temperatur T₁ entsprechenden Werts λ₁. Dies bedeutet, dass der zu maximalen Temperaturwert T₁ gehörende Parameterwert λ₁ während des Vorgangs unterschritten und das Temperaturmaximum T₁ überschritten wurde.
Im Ergebnis erhält man eine Anzahl von Wertepaaren aus gemessener Temperatur und entsprechendem λ-Wert bzw., die in einer Tabelle oder als Kennlinie, wie in 2, dargestellt werden können.
Im nächsten Schritt kann durch Auswahl des zum maximalen Temperaturwert T₁ gehörenden Wertepaars (λ₁, T₁) der Wert λ₁ festgelegt werden.
Falls die Schrittweite Δλ₁ zunächst relativ groß gewählt wurde, so dass das Wertepaar (λ₁; T₁) nicht mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden konnte, kann ausgehend von λ_e der Messvorgang in kleinen Schritten Δλ₂ und erneuter Überschreitung des bisher ermittelten Maximalwerts λ₁, vorzugsweise bis zu einem Wert λ₁ + Δλ₁, wiederholt werden. Innerhalb des Bereichs λ₁ – Δλ₁ und λ₁ + Δλ₁ wird sich nun ein genauerer Wert für λ₁ ergeben. Der Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis eine hinreichende Genauigkeit bei der Bestimmung von λ₁ erzielt wird. Auf diese Weise kann iterativ das Wertepaar (λ₁; T₁) ermittelt werden.
Im nächsten Schritt wird der Zielwert λ_Z ermittelt. λ_Z entspricht dem Luft-Gasverhältnis, bei dem die effektivste Verbrennung und damit der größte Wirkungsgrad für die Verbrennung erreicht werden. λ_Z ergibt sich dabei aus λ₁ durch Multiplikation mit einem vorgegebenen Faktor, beispielswei se 1, 3.
Es ist bekannt, dass sich die maximale Temperatur T₁ bei einem stöchiometrischen Verhältnis von 1,0 zwischen dem im Gas enthaltenen Brennstoffanteil und dem im Gas und der Luft enthaltenen Sauerstoffanteil einstellt. Die effektivste Verbrennung findet jedoch bei einem anderen Verhältnis, etwa bei λ_Z = 1, 3·λ₁, statt.
Im nächsten Verfahrensschritt wird das Verhältnis λ_Z am Gasbrenner eingestellt. Als Messgrößen werden dabei beispielsweise die im Luft- und Gaszufuhrabschnitt durch die Massenstromsensoren gemessenen Massenströme für Luft und Gas verwendet. Der weitere Betrieb der Anlage erfolgt, bis zu einer Neubestimmung von λ_Z, in dieser Einstellung.
Bei einem Lastwechsel, das heißt, bei einer erforderlichen Änderung der Brennerleistung, wird das Verfahren in der Regel erneut durchgeführt. Das Verfahren kann auch nach dem Einschalten des Gasbrenners durchgeführt oder in periodischen Abständen wiederholt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Gasbrenner stets in einem optimalen Bereich betrieben wird.
Um zu verhindern, dass das Verfahren bei jedem Lastwechsel erneut durchgeführt werden muss, kann eine zweite Kennlinie, wie in 3 gezeigt, ermittelt werden. In 3 ist die Solltemperatur T_soll, die wie in 2 beschrieben ermittelt wurde, in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom, der zur Brennerleistung proportional ist, dargestellt. Der optimale Wert λ_Z stellt sich bei einer bestimmten Leistung genau dann ein, wenn die im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessene Temperatur T_ist der aus der 3 ausgelesenen Solltemperatur T_soll entspricht. Eine Regelung der Ist-Temperatur T_ist auf den vorgegebenen Sollwert T_soll führt automatisch zu einer Einstellung des optimalen Mischungsverhältnisses bei vorgegebener Brennerleistung.
Durch die Verwendung der zweiten in 3 dargestellten Kennlinie kann über einen bestimmten Zeitraum, in dem sich vorzugsweise die Randbedingungen, beispielsweise die Gasqualität, nicht entscheidend ändern, die Anlage ohne erneute Durchführung des Verfahrens bei verschiedenen Leistungen, also in verschiedenen Betriebszuständen, betrieben werden. Allerdings sollte auch hier in periodischen Abständen oder zu bestimmten Anlässen, beispielsweise bei einer Wartung des Geräts, die Kennlinie erneut bestimmt werden, um eine Anpassung an die verfügbare Gasqualität oder an Instabilitäten im System zu erreichen.
In 3 ist die Solltemperatur T_soll in Abhängigkeit vom Massenstrom der Luft m_L/t, der einer bestimmten Betriebsleistung entspricht, dargestellt. Wird die Last bei Umstellung von einem Betriebszustand 1 in einen Betriebszustand 2, entsprechend den Luftmassenströmen m_L1/t bzw. m_L2/t, umgestellt, so wird die Temperatur des Gasbrenners so geregelt, dass sich die Temperatur T_soll2 einstellt. Dazu können verschiedene Betriebsparameter, beispielsweise die Drehzahl des Ventilators des Brennergebläses, der Gaszufluss oder die Öffnung des Luftzufuhrventils unter Durchführung eines Regelungsvorgangs, verändert werden. Insbesondere erfolgt die Nachregelung durch eine Abmagerung bzw. Anfettung des Luft-Gasgemisches durch Betätigung des Gasventils 6.
Statt einer völligen Neubestimmung der zweiten Kennlinie gemäß 3 können bei Bedarf auch einzelne Werte bei bestimmten Leistungen erfasst werden, und die bisher in der Kennkurve enthaltenen entsprechenden Werte ersetzen. Es ist auch denkbar, die Kennlinie entsprechend einem aktuell gemessenen Wert bei bestimmter Leistung insgesamt zu verschieben.
Die Durchführung des Verfahrens führt zu einem Betriebsmodus, bei dem eine saubere Verbrennung und damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad des Gasbrenners erreicht wird.

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Betriebsparameters (λ) einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur (T_ist) von dem Wert des Betriebsparameters (λ) abhängt und bei einem bestimmten Parameterwert (λ₁) ein Maximum (T₁) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ermittlung des dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechenden Parameterwerts (λ₁) ein gewünschter Zielparameterwert (λ_Z) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechende Parameterwert (λ₁) durch Variation des Parameterwerts (λ), beginnend von einem Anfangswert (λ_s), bis zu einem Endwert (λ_e), und Erfassung von der Feuerungseinrichtung erzeugter gemessener Temperaturwerte (T_ist) ermittelt wird, wobei der dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechende Parameterwert (λ₁) bei der Variation wenigstens einmal über- bzw. unterschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechende Parameterwert (λ₁) durch die Erfassung einer Änderung des Vorzeichens der ersten Ableitung einer Kurve, die die Abhängigkeit der von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperaturwerte (T_ist) von den Parameterwerten darstellt, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechende Parameterwert (λ₁) durch eine iterative Annäherung des Parameterwerts (λ) an den dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwert (λ₁) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens einen weiteren Variationsschritt umfasst, bei dem der Parameterwert (λ), ausgehend von dem zuletzt erreichten Endwert (λ_e), unter Über- bzw. Unterschreitung des dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechenden Parameterwerts (λ₁) variiert wird, wobei der Abstand zwischen Anfangs- und Endwert bei jeder Wiederholung des Variationsschrittes verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Variationsschritt nach Anspruch 5 wiederholt wird, bis der dem Temperaturmaximum (T₁) entsprechende Parameterwert (λ₁) innerhalb einer vorgegebenen Toleranz bestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Variationsschritt nach Anspruch 5 n-mal wiederholt wird, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterwert (λ) das Verhältnis einer Luftmenge zu einer Menge an Verbrennungsmedium eines der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zuzuführenden Gemisches aus Luft und Verbrennungsmedium ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterwert dem Flammenabstand zur Brennerdüse bzw. -fläche entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterwert (λ) durch Erhöhung des Massenstroms (m_L/t, m_G/t) bzw. des Volumenstroms (V_L/t, V_G/t) der Luft oder des Verbrennungsmediums verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Massen- bzw. Volumenstrom (m_L/t, m_G/t; V_L/t, V_G/t) der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luft und des der Feuerungseinrichtung zugeführten Verbrennungsmediums alternierend verändert, insbesondere erhöht, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperaturwerten (T_ist) in Abhängigkeit von den Parameterwerten (λ) eine erste Kennlinie erstellt wird.
Verfahren zur Einstellung eines Betriebsparameters einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wiederholung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei verschiedenen Brennerleistungen (P) eine zweite Kennlinie erstellt wird, die eine Abhängigkeit zwischen der von der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit erzeugten Brennerleistung (P) oder der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luftmenge (m_L/t, V_L/t) oder eines Differenzdrucks an einer Blende oder einem Drosselventil und der entsprechenden Solltemperatur (T_soll) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kennlinie in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom (m_L/t, V_L/t) erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 bei einer bestimmten von der Feuerungseinrichtung erzeugten Brennerleistung (P) durchgeführt wird, um einen Wert der zweiten Kennlinie gemäß Anspruch 12 zu ersetzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Gasbrenner erzeugte Temperatur (T_ist) gemessen, und unter Verwendung der erstellten zweiten Kennlinie bei einem vorgegebenen Parameter, der einer bestimmten Brennerleistung (P_soll) entspricht, wenigstens ein Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung so lange verändert wird, bis die vom Gasbrenner erzeugte Temperatur (T_ist) der aus der Kennlinie ermittelten Solltemperatur (T_soll) entspricht.
Feuerungseinrichtung, insbesondere Gasbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche angepasst ist.
Feuerungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung einen Temperatursensor (12) im Wirkungsbereich der Brennerflamme (13) der Feuerungseinrichtung aufweist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung ein Ventil (3, 6) mit einem Stellglied, insbeson dere mit einem Schrittmotor, einer pulsweitenmodulierten oder eine durch eine elektrische Größe gesteuerten Spule, aufweist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung wenigstens einen Massenstromsensor (2, 5) und/oder Volumenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge und/oder der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Brennstoffmedium und/oder der Menge des zugeführten Gemisches aus Luft und Brennstoffmedium aufweist.