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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, bei unbekannten Rahmenbedingungen und insbesondere bei erstmaligem Nichtzünden, wobei für die Feuerungseinrichtung in einem Speicher eine aus empirischen Ermittlungen bekannte Kennlinie einer Start-Luftzahl in Abhängigkeit von der Brennertemperatur hinterlegt ist.
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Gasheizgeräte werden zur Bereitung von Warmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme o. ä. eingesetzt. In verschiedenen Betriebsphasen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Speziell der Startvorgang des Geräts verlangt eine schnelles Entzünden der Brennerflamme und eine anschließende, an den Wärmebedarf angepasste, Leistungsabgabe. Aufgrund des im Normalfall unregelmäßigen Nutzung des Gasbrenners über den Tag und die Nacht verteilt, sind die Start-Rahmenbedingungen für den Gasbrenner meist unbekannt. Wichtige Größen für diese Start-Rahmenbedingungen sind vor allem die Brennertemperatur, die Gasart, der Gasdruck, der Umgebungsdruck der Luft und die Luftfeuchtigkeit. Die entscheidende Größe zur Zündung des Brenners ist die Start-Luftzahl, durch die das Verhältnis der tatsächlich dem Brenner zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für eine optimale stöchiometrische Verbrennung erforderlichen Luftmenge beschrieben ist. Zu einer Optimierung der Abgaswerte (CO, CO2) werden Gasbrenner normalerweise mit einem Luftüberschuss betrieben, d. h. der Sollwert für die Luftzahl für die hygienisch optimale Verbrennung während des Betriebs liegt bei etwa 1,3. Brenner zünden bei unterschiedlichen Gas-Luftverhältnissen abhängig von den Rahmenbedingungen.
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Die Leistungsabgabe eines Gasbrenners richtet sich nach dem sich regelmäßig ändernden Wärmebedarf. Im Wesentlichen wird die Leistungsabgabe durch die Einstellung der Zufuhr von Luft und Brenngas und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen Luft und Gas bestimmt. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme der Luft und des Gases angegeben werden.
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Die
DE 100 45 270 C2 offenbart eine Feuerungseinrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Feuerungseinrichtung bei schwankender Brennstoffqualität. Insbesondere wird bei einer Änderung der Gasqualität das Brennstoff-Luftverhältnis entsprechend verändert. Dabei wird für jede geeignete Brennstoffart die Gemischzusammensetzung so lange nachgeregelt, bis die gewünschte Flammenkerntemperatur erreicht ist. Außerdem werden Kennfelder für verschiedene Brennstoffe verwendet, aus denen bei jeder Änderung der Leistungsanforderungen ein neues, geeignetes Brennstoff-Luftverhältnis ausgelesen wird. Ein Verfahren zum Starten des Brenners ist nicht offenbart.
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In der
GB 2 270 748 A ist ein Steuerungssystem für einen Gasbrenner gezeigt. Die Regelung erfolgt hier unter Verwendung einer an der Brenneroberfläche gemessenen Temperatur. Da die Oberflächentemperatur von der Flußrate des Luft-Gas-Gemisches abhängt, wird bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur die Geschwindigkeit des Gebläserotors gesenkt, wodurch der Luftfluss und damit das Luft-Gas-Verhältnis gesenkt wird. Auf den Startvorgang des Brenners und die damit verbundenen Verfahrensschritte wird nicht individuell eingegangen.
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Aus der
AT 411 189 B ist ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners bekannt, bei dem die CO-Konzentration in den Abgasen der Brennerflamme mit einem Abgassensor erfasst wird. Ein bestimmter CO-Wert entspricht einem bestimmten Gas-Luft-Verhältnis. Ausgehend von einem bekannten, z. B. experimentell ermittelten, Gas-Luftverhältnis bei einem bestimmten CO-Wert kann ein gewünschtes Gas-Luftverhältnis eingestellt werden. Zum Starten regelt der Brenner das Luft-Gas-Gemisch nach einer auf eine bestimmte Gasart abgestimmten Standardvorgabe, berücksichtigt jedoch nicht den Fall, dass sich Rahmenbedingungen ändern, oder dass der Startvorgang misslingt.
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Die
EP 770 824 B1 zeigt eine Regelung des Gas-Luftverhältnisses im Brennstoff-Luftgemisch durch Messen eines Ionisationsstroms, der vom Luftüberschuss in den Abgasen der Brennerflamme abhängt. Bei stöchiometrischer Verbrennung wird bekanntermaßen ein Maximum des Ionisationsstroms gemessen. In Abhängigkeit von diesem Wert kann die Gemischzusammensetzung optimiert werden. Der Startvorgang wird von einer Startautomatik durchgeführt, die mit Hilfe eines Sollwertgebers eine Startdrehzahl des Gebläses generiert, bei der ein zündfähiges Gemisch vorliegt. Ebenfalls unberücksichtigt bleibt der Fall eines misslungenen Startversuchs.
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Nachteilhaft an den zuletzt genannten Verfahren ist, dass um sie auszuführen entweder vorausgesetzt wird, dass die Brenner bereits gestartet sind, oder unzureichende, auf feste Rahmenbedingungen abgestimmte Startverfahren verwendet werden. Eine Offenbarung integriert in die Beschreibung den Startvorgang eines Brenners, gelöst mit einer Startautomatik, die lediglich das Gebläse als Regelgröße verwendet. Das ist nicht ausreichend, um unterschiedliche, unbekannte Rahmenbedingungen zu berücksichtigen und auf ein Nichtzünden zu reagieren.
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In dem Stand der Technik
EP 1522 790 A2 sind zwei unterschiedliche Verfahren zu unterschiedlichen Gegebenheiten offenbart. Zum einen werden für die erste Inbetriebnahme Verfahrensschritte für einen Startvorgang mit einer Grundeinstellung beschrieben, zum anderen wird ein Kalibriervorgang dargelegt, der einsetzbar ist, sobald die Flamme geregelt brennt.
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Der Stand der Technik
DE 102 00 128 A1 offenbart, dass verschiedene Gasarten bei unterschiedlichen Brennstoff-Luft-Gemischen zünden und die Zündung mittels eines Fühlers erkannt wird. Bei konstantem Luftvolumenstrom wird der Gasvolumenstrom kontinuierlich erhöht, bis es zur Zündung kommt. Für unterschiedliche Gasarten sind verschiedene Kennlinien (Geraden) in einer Regeleinheit hinterlegt, um anhand einer Messung des Gas- bzw. Luftvolumenstroms zum Zündzeitpunkt bei gleichzeitigem Vergleich mit den hinterlegten Geraden die Gasart zu bestimmen. Es ist somit hieraus bekannt, beim Startverfahren das Brennstoff-Luft-Gemisch kontinuierlich anzufetten, bis es zur Zündung kommt.
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Die
WO 2006/000366 A1 offenbart sowohl eine Regelung als auch eine Steuerung eines Gasbrenners. Mit dem Regelungsverfahren wird die vom Brenner erzeugte Temperatur unter Verwendung einer Kennlinie bei konstanter Luftzahl geregelt. Bei der dabei verwendeten Kennlinie ist die Luftzahl λ in Abhängigkeit von der Temperatur und der Luftmasse dargestellt. Bei dem Steuerungsverfahren wird bei einer Änderung der Brennerbelastung, d. h. der dem Brenner zugeführten Luftmasse, das Gasventil angesteuert und von einer ersten Öffnungsstellung in eine zweite Öffnungsstellung gebracht, ohne dass eine Regelung stattfindet.
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In der
EP 0 806 610 B1 wird ein Startvorgang offenbart, der einem Kalibriervorgang ähnelt, dieser ist jedoch bei jedem Start des Brenners zu durchlaufen. Durch Anfettung des Luft-Gasgemisches ein zum Brennerstart notwendiges zündfähiges Gemisch gesucht.
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Die
DE 100 57 234 C2 offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners, wobei eine Kalibrierung beim Brennerstart durchgeführt wird, wenn ein am Ende einer Wärmeanforderung gespeicherter Regelparameter über oder unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Der Betriebsstrom des Gasventils, der eine Öffnung des Gasventils und somit (bei konstanten Gasdruck) einen Gasmassenstrom repräsentiert, wird abgespeichert. Der Stand der Technik lehrt, Werte während des Betriebes zu ermitteln und für zukünftige Startvorgänge zu verwenden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten einer Feuerungseinrichtung bei unbekannten Rahmenbedingungen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhaft wird bei einem Verfahren gemäß Anspruch 2 die Kalibrierung in folgenden Schritten durchgeführt:
- • Zuführung eines zu mageren Brennstoff-Luft-Gemisches an den Brenner, dass keine Zündung erfolgen kann;
- • stetige, langsame Anfettung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch Öffnen des Gasventils bei kontinuierlichen Zündungsversuchen;
- • bei der Zündung: Berechnung der Luftzahl (λ)ZÜNDUNG aus der Brennertemperatur mit Hilfe der hinterlegten Kennlinie;
- • Berechnung des Soll-Massenstroms der Verbrennungsluft mL,S für die Soll-Luftzahl (λ)S aus der Größe des gemessenen Ist-Massenstroms und der berechneten Luftzahl (λ)ZÜNDUNG zum Zeitpunkt der Zündung;
- • Speicherung der Start-Luftzahl (λ)ZÜNDUNG für künftige Startvorgänge;
- • Bestimmung eines Korridors an der aus den Kalibrierungen entstehenden Kennlinie.
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Bei der ersten Inbetriebnahme eines Gasbrenners sind die Rahmenbedingungen gänzlich unbekannt. Sowohl die Zusammensetzung des Gases, als auch die Umgebungsbedingungen spielen für den Start und den Betrieb des Brenners eine entscheidende Rolle. Um einen sicheren Startvorgang zu gewährleisten, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, eine Kalibrierung durchzuführen, bei der die entscheidenden Einflussfaktoren ermittelt und berücksichtigt werden. Der Startvorgang muss jedoch auch nach der ersten Inbetriebnahme im Alltagsbetrieb immer wieder, abhängig von dem Wärmebedarf, sicher vollzogen werden können. Dazu ist eine Kalibrierung ebenfalls vorteilhaft, weil auf diese Weise auf unterschiedliche Bedarfssituationen entsprechend reagiert werden kann. Die Speicherung der bei der Kalibrierung für die unterschiedlichen Starts ermittelten Luftzahlen birgt die Möglichkeit, für zukünftige Starts auf diese Zahlen zurückzugreifen. Das ist nutzbringend hinsichtlich eines sicheren und schnellen Starts des Gasbrenners. Eine Startautomatik, wie sie der Stand der Technik offenbart, kann diese Vorteile nicht aufweisen, da sie ausschließlich auf exakt bestimmte Rahmenbedingungen eingestellt sein muss und nicht auf unbekannte Rahmenbedingungen reagieren kann.
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Die Kalibrierung erfolgt durch ein Verfahren mit mehreren Schritten. Die Zuführung eines zu mageren Brennstoff-Luft-Gemisches an den Brenner und das stetige langsame Anfetten des Gas-Luft-Gemisches durch öffnen des Gasventils bringt den grollen Vorteil, dass es zu keiner Verpuffungsexplosion eines angesammelten, nicht verbrannten Gas-Luft-Gemisches kommen kann. Grundsätzlich wäre auch eine Annäherung des Gemisches von zu gashaltigem, fettem hin zu lufthaltigerem, magerem Gemisch möglich, bis ein zündungsfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch am Brenner vorhanden ist, jedoch wäre eine derartige Annäherung bezüglich des Sicherheitsgedanken äußerst nachteilhaft. Die Berechnungsvorgänge während des Kalibrierungsvorgangs sind einfach und schnell auszuführen. Bei der Zündung wird die Luftzahl und der Soll-Massenstrom der Verbrennungsluft mit Hilfe einer in einem Speicher abfragbaren Kennlinie errechnet, so dass der Brenner direkt in den Betriebszustand überführt werden kann. Die Speicherung der errechneten Ergebnisse bringt den Vorteil eines zukünftig noch schnelleren Startvorgangs.
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Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Ergebnisse nicht nur gespeichert, sondern dafür verwendet werden, eine Kennlinie zu entwickeln, um die ein Korridor bestimmt wird. Dieser Korridor ist für jeden folgenden Startvorgang und für den Betrieb ein entscheidendes Hilfsmittel, weil durch ihn ein Bereich abgegrenzt wird, in dem der Brenner in den verschiedenen Leistungsspektren sicher gestartet und betrieben werden kann. Das hat den großen Vorteil, dass eventuelle Fehlfunktionen, die sich durch einen Betrieb des Gasbrenners außerhalb des Korridors zeigen, sicher entdeckt werden und der Brenner nach einer festgelegten Zeitspanne aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wird.
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Vorteilhaft ist auch, die Änderung der Öffnung des Gasventils durch die Modulation einer Pulsweite, durch die Variation einer Spannung oder eines Stroms einer Ventilspule, oder durch Betätigung eines Schrittmotors eines Ventils durchzuführen. Auf diese Weise kann das Gasventil schnell und sicher die benötigten Öffnungen realisieren.
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Des weiteren ist es vorteilhaft, dass für die Feuerungseinrichtung zur Berechnung der tatsächlichen Start-Luftzahl eine empirisch ermittelte Kennlinie von Start-Luftzahlen zu bekannten Rahmenbedingungen in einem Speicher hinterlegt ist. Bei verschiedenen Brennertemperaturen werden dafür vorab unterschiedliche Start-Luftzahlen ermittelt, die die hinterlegte Kennlinie beschreiben. Mit Hilfe der Kennlinie kann während des Kalibrierungsvorgangs durch Messen der Brennertemperatur einfach die tatsächliche Start-Luftzahl errechnet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigen:
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1 einen Ablaufplan des Kalibrierungsvorgangs;
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2 eine Kennlinie, die aus empirischen Ermittlungen für die Feuerungseinrichtung gespeichert ist;
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3 eine Kennlinie mit einem Korridor, die während des Kalibrierungsvorgangs berechnet wird.
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1 zeigt einen Ablaufplan, der die einzelnen Schritte des Kalibrierungsvorgangs darstellt.
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Der Ablaufplan ist gemäß der dargestellten Pfeile schrittweise von oben nach unten zu lesen. Untereinander abgebildete Schritte werden nacheinander, nebeneinander abgebildete Schritte gleichzeitig ausgeführt. Jeder Schritt entspricht einem rechteckigen Kasten.
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Zu Beginn des Kalibrierungsvorgang wird Gas mit einer konstante Luftmenge vermischt. Das anfangs daraus entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch ist absichtlich zu mager, d. h. der Gasanteil ist zu gering, um gezündet werden zu können. Auf diese Weise ist eine Ausgangssituation sichergestellt, bei der es zu keiner unerwarteten Zündung, von der eine Explosionsgefahr ausginge, kommen kann.
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Durch langsames, stetiges Öffnen des Gasventils bei konstantem Luft-Massenstrom wird das zu dem Brenner strömende Brennstoff-Luft-Gemisch angefettet, d. h. das Verhältnis von der zugeführten Gasmenge zu der zugeführten Luftmenge steigt. Gleichzeitig werden durch die Zündanlage kontinuierlich Zündversuche mit dem fortwährend gashaltiger werdenden Gemisch unternommen.
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Wenn das unbekannte, zur Zündung nötige Verhältnis zwischen Gasmenge und Luftmenge für die jeweiligen Rahmenbedingungen erreicht ist, zündet das Gemisch und der Gasbrenner ist gestartet. Genau zu diesem Zeitpunkt des Zündens wird die Brennertemperatur gemessenen. Mit Hilfe dieser gemessenen Temperatur und der in dem Speicher abgelegten Kennlinie der Beziehung von Start-Luftzahl zur Brennertemperatur, wird die tatsächliche Luftzahl zum Zeitpunkt der Zündung berechnet.
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Das Ergebnis dieser berechneten Luftzahl zum Zeitpunkt der Zündung, bei der entsprechend gemessenen Brennertemperatur, wird abgespeichert, so dass die Luftzahl für zukünftige Startvorgange zur Verfügung steht.
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Des Weiteren wird aus dieser Luftzahl der Soll-Massenstrom der zuzuführenden Luftmenge berechnet. Anschließend kann bei bekannter konstanter Öffnung des Gasventils die zugeführte Luftmenge von einem gemessenen Istwert zu einem berechneten Sollwert so geändert werden, dass die Soll-Luftzahl erreicht wird. Die Soll-Luftzahl liegt auf der Soll-Kennlinie, die das angestrebte Verhältnis von Luftmenge zu Gasmenge bzw. mL,tatsächlich/mL,min bei verschiedenen Wärme-/Leistungsanforderungen beschreibt. Um diese Soll-Kennlinie wird ein Korridor erzeugt, der mindestens so groß/breit ist, dass die berechnete Start-Luftzahl innerhalb dieses Korridors liegt. Die Kennlinie und der erzeugte Korridor werden in dem Speicher abgelegt, so dass zukünftige Startvorgänge, entsprechend der unterschiedlichen Wärme-/Leistungsforderungen, gemäß dieses Korridors durchgeführt werden. Die für den Gasbrenner vorher unbekannten Rahmenbedingungen sind durch den Kalibrierungsvorgang für folgende Startvorgänge in bekannte Rahmenbedingungen gewandelt worden.
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Die Ansteuerung einer Soll-Luftzahl von der berechneten Start-Luftzahl kann durch eine Änderung der zugeführten Luftmenge bei konstant gehaltener Gasöffnung erfolgen.
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Durch Bildung eines Korridors über dem Luft-Massenstrom ist es möglich, angepasst an die Wärme-/Leistungsforderung in einem Parameterbereich zu zünden. Würde mit hoher Leistung gezündet, obgleich nur ein geringer Wärmebedarf besteht, würde viel Energie in das Heizsystem eingebracht, was im Extremfall zum sofortigen Wiederabschalten des Gasbrenners führt. Daher kann bei geringem Leistungsbedarf eine bestimmte kleine Gasöffnung und eine entsprechende Luftmenge angesteuert werden. Für den Fall eines schnellen Bedarfs an hoher Leistung, z. B dem Brauchwasserbetrieb, steht die maximale Wärme-/Leistungsabgabe durch eine angesteuerte große Öffnung des Gasventils mit entsprechender Luftmenge direkt zur Verfügung, ohne sich von einer begrenzten Zündleistung her der Maximalleistung langsam annähern zu müssen.
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Durch den erzeugten Korridor sind gleichzeitig für den Normalbetrieb auch Grenzen gesetzt, innerhalb derer der Gasbrenner betrieben wird. Bei Feststellung, dass diese Grenzen über einen bestimmten Zeitraum über- oder unterschritten werden, ist ein Hinweis auf eine Fehlfunktion gegeben. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Abweichung des Gasdrucks vom zulässigen Eingangsdruckbereich, eine Abweichung des Gases, oder um eine Fehlfunktion von Sensoren handeln. Der Gasbrenner schaltet sich in diesem Fall nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne automatisch ab.
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2 zeigt eine Detailskizze der für die Feuerungseinrichtung in einem Speicher hinterlegten Kennlinie. Diese Kennlinie entsteht aus einer Funktion aus Start-Luftzahl und Brennertemperatur – f(TBrenner) = λ.
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Die Brennertemperatur ist ein entscheidender Parameter hinsichtlich der zum Start benötigten Start-Luftzahl. Aus mehreren vorab durchgeführten Startversuchen lässt sich eine Kennlinie entwickeln, die eine Start-Luftzahl in Abhängigkeit von der Brennertemperatur bestimmt und der Feuerungseinrichtung in einem Speicher hinterlegt wird. Zur Bestimmung dieser Kennlinie wird bei kontinuierlichen Zündversuchen ein zu mageres Brennstoff-Luft-Gemisch langsam angefettet, bis es zur Zündung kommt. Die Luftzahl im Augenblick der Zündung wird festgehalten. Durch Wiederholung dieses Vorgangs bei verschiedenen Brennertemperaturen ergibt sich aus den einzelnen Ergebnissen die gesuchte Kennlinie. Durch die Hinterlegung in einem Speicher kann jederzeit auf die Kennlinie zugegriffen werden.
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3 zeigt eine Detailskizze der durch den Kalibrierungsvorgang erzeugten Kennlinie und dem dazu bestimmten Korridor (gestrichelt dargestellt).
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Die entscheidenden Einflussgrößen für die Gemischbildung sind die zugeführte Gasmenge mG und Luftmenge mL. Die Gasmenge mG ist dabei abhängig von der Öffnung (w) des Gasventils. Um einen hygienischen Betrieb zu gewährleisten wird die Feuerungsanlage bei einer Luftzahl von etwa λ = 1,3 betrieben. Die Kennlinie liegt in dem dargestellten Diagramm, je nach Rahmenbedingungen etwas verschoben in Richtung des oberen oder unteren Bereich. Im oberen Bereich ist das Brennstoff-Luft-Gemisch fetter, im unteren Bereich magerer. Um die Kennlinie wird der Korridor bestimmt, durch den Grenzen für den Betrieb und ein sicherer Bereich für die Luftzahl für folgende Startvorgänge vorgegeben ist. Die obere Grenze limitiert die Brennbarkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches zu dem fetten, die untere Grenze zu dem mageren Bereich.
