DE102008006067B4

DE102008006067B4 - Vorrichtung mit einem Brennerkopf und Verfahren zum Betätigen eines Brenners

Info

Publication number: DE102008006067B4
Application number: DE102008006067A
Authority: DE
Inventors: Ludolf Gücker
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2028-01-26
Also published as: DE102008006067A1; GB2456861A; GB2456861B; GB0822519D0; FR2926873A1; BE1018370A6; FR2926873B1

Abstract

Vorrichtung mit einem Brennerkopf (10), der eine Matrixfläche (12) mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen (14) umfasst, und mit einer Steuereinheit (18) zum Steuern eines den Brennerkopf (10) umfassenden Brenners, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (10) wenigstens ein im Bereich der Matrixfläche (12) angeordnetes Temperatursensorelement (22) umfasst und dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, den Brenner abhängig von den Sensorsignalen des Temperatursensorelements (22) zu betätigen, wobei die Matrixfläche (12) als Drahtgeflächt ausgebildet ist und das Temperatursensorelement (22) als Thermoelement ausgebildet ist, wobei das Thermoelement durch einen Kontakt von zwei sich überkreuzenden Drähten (20, 26) des Drahtgeflechts aus unterschiedlichem Material gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Brennerkopf, der eine Matrixfläche mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen umfasst, und mit einer Steuereinheit zum Steuern eines den Brennerkopf umfassenden Brenners. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betätigen eines Brenners mit einem solchen Brennerkopf.
Beispielsweise aus der DE 69 123 329 T2 ist ein Brenner mit einem Brennerkopf bekannt, wobei der Brennerkopf eine Matrixfläche mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen umfasst. Eine Steuereinheit dient zum Steuern eines den Brennerkopf umfassenden Brenners. Um den im letztgenannten Dokument vorgeschlagenen Brennerkopf zu testen, nicht jedoch um den Betrieb des Brenners zu steuern, wird in der DE 69 123 329 T2 beschrieben, dass der Brennerkopf zu Testzwecken mit Thermoelementen ausgestattet werden kann.
In der US 2006/0 105 281 A1 ist ein Temperatursensorelement gezeigt welches bei der Zündflamme angeordnet ist wobei ein Brennerverschmutzungsdetektionssystem die weitere Verbrennung bei Detektion eines vorbestimmten Brennerverschmutzungsgrades abschaltet.
In der AT 356 844 B ist eine Steuerungs- und Überwachungseinrichtung für einen Gasstrahlungsbrenner zur Beheizung von Kochflächen, mit einer eine temperaturabhängige Messspannung erzeugenden Temperaturabfühleinrichtung und einem durch ein Signal betätigbaren Ventil für die Steuerung der Gaszufuhr zum Gasstrahlungsbrenner gezeigt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrfache Temperaturmessung im Bereich des Brenners zu ermöglichen und dabei gleichzeitig die Anzahl der Bauteile zu reduzieren.
Die Erfindung geht insbesondere aus von einer Vorrichtung mit eifern Brennerkopf, der eine Matrixfläche mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen umffasst, und mit einer Steuereinheit zum Steuern eines den Brennerkopf umfassenden Brenners.
Es wird vorgeschlagen, dass der Brennerkopf wenigstens ein im Bereich der Matrixfläche angeordnetes Temperatursensorelement umfasst, und dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Brenner abhängig von den Sensorsignalen des Temperatursensorelements zu betätigen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Steuereinheit eine Rückmeldung über die Temperatur im Bereich des Brennerkopfs erhält, so dass die Steuereinheit Rückschlüsse auf die tatsächlichen Betriebsbedingungen und/oder Störungen des Brennerbetriebs ziehen kann, um gegebenenfalls Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Beispielsweise kann die Temperatur auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden und eine Betriebsruhe des Brenners kann verbessert werden.
Als „Matrix” von Verbrennungsgasöffnungen wird in diesem Zusammenhang eine wie auch immer geartete Verteilung von Verbrennungsgasöffnungen über die Matrixfläche bezeichnet. Dieser Begriff ist daher nicht auf rechtwinklige Gitter beschränkt, und es können beispielsweise auch rotationssymmetrische Verteilungen von Verbrennungsgasöffnungen mit einer vielzähligen Symmetrie und/oder Verteilungen mit einer in radialer Richtung veränderlichen Dichte von Verbrennungsgasöffnungen in Betracht kommen. Ferner ist es denkbar, dass die Verbrennungsgasöffnungen unterschiedliche Größen und/oder Formen haben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Teil eines Gasbrenners oder eines anderen Brenners zum Verbrennen gasförmiger bzw. vergasbarer Brennstoffe, wie z. B. Öl, verwendet werden. Der Brenner kann ferner mit einem Gemisch von verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, wobei die verschiedenen Brennstoffe durch die gleiche oder durch unterschiedliche Verbrennungsgasöffnungen eingeleitet werden können.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Matrixfläche als Drahtgeflecht ausgebildet ist. Dadurch kann eine Matrixfläche mit einer besonders geringen Masse und einem vorteilhaft großen Verhältnis von Öffnungsfläche zu vom Material eingenommener Fläche erreicht werden. Gleichzeitig kann eine besonders hohe Zahl von Verbrennungsgasöffnungen bei geringem konstruktivem Aufwand ermöglicht werden.
Da das Temperatursensorelement als Thermoelement ausgebildet ist, kann eine robuste und zuverlässige Messung der Temperatur auch bei hohen Temperaturen gewährleistet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Thermoelement durch einen Kontakt zwischen zwei sich überkreuzenden Drähten des Drahtgeflechts aus unterschiedlichem Material gebildet ist.
Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und in einem Punkt miteinander verbundenen Metallen. An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt.
In einem konstruktiv besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die sich überkreuzenden Drähte verlötet oder verschweißt sind. Dadurch kann ein wohldefinierter Kontakt zwischen den beiden das Thermoelement bildenden Drähten gewährleistet werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Thermoelements aus Drähten eines Drahtgeflechts kann in einer besonders einfachen Weise eine Vielzahl von gleichmäßig über die Matrixfläche verteilten Temperatursensorelementen realisiert werden.
Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der im Drahtgeflecht in einer ersten Richtung verlaufenden Drähte aus einem anderen Metall gebildet ist als zumindest ein Teil der in einer zweiten Richtung verlaufenden Drähte im Drahtgeflecht. Die Metalle sind besonders vorteilhaft so gewählt, dass die thermoelektrischen Koeffizienten sich besonders stark unterscheiden. Für Anwendungen in Brennern ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der in einer Richtung verlaufenden Drähte aus Chromnickel CrNi gebildet ist, wobei der andere Teil vorteilhaft aus Nickel gebildet ist. Es entsteht damit eine Thermoelementpaarung vom Typ K. Prinzipiell wären auch Platin-Platin/Rodium-Drähte denkbar, die eine Thermoelementpaarung vom Typ S bilden und zur Messung von Temperaturen bis etwa 1760°C verwendbar sind.
Insbesondere bei der Verwendung im Zusammenhang mit Heizungsanlagen ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Sensorsignale des Temperatursensorelements zur Überwachung einer Flamme des Brenners zu nutzen. Wegen der geringen Masse des erfindungsgemäßen Thermoelements bzw. der Anordnung von erfindungsgemäßen Thermoelementen reagieren diese sehr schnell, so dass eine bis zur Reaktion der Steuereinrichtung ausströmende Menge von Brennstoff im Vergleich zur Ausgestaltung der Erfindung, in welcher herkömmliche Thermoelemente eingesetzt werden, deutlich verringert werden kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Betrieb des Brenners abhängig von den Sensorsignalen des Temperatursensorelements zu regeln. Als Regelung soll in diesem Zusammenhang ein Betrieb mit einem geschlossenen Regelkreis bezeichnet werden, wobei die Temperatursensorelemente insbesondere die dafür notwendige Rückkoppelung liefern können. Beispielsweise kann in einem Betriebszustand eine Regelung erfolgen, die eine konstante Brennertemperatur bzw. eine konstante Temperatur der Matrixfläche gewährleistet. Wenn eine Vielzahl von Temperatursensorelementen über die Matrixfläche verteilt sind, können die Differenzen zwischen den Temperatursensorsignalen zudem zum Homogenisieren der Flamme über die Matrixfläche bzw. zum Homogenisieren der Brennertemperatur genutzt werden. Dazu kann die Brennstoffzufuhr zu verschiedene Bereichen der Matrixbrennfläche beispielsweise selektiv steuerbar sein.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, eine Brennstoffzufuhr des Brenners zu reduzieren, wenn ein von dem Temperatursensorelement erfasstes Sensorsignal einen kritischen Wert überschreitet. Dadurch kann in einer einfachen Weise ein Überhitzungsschutz realisiert werden und Schäden an einer unter Umständen empfindlichen Matrixfläche können vermieden werden. Alternativ kann beispielsweise eine Notabschaltung erfolgen, wenn die von den Temperatursensorelementen erfassten Temperaturen einen kritischen Wert unterschreiten, der beispielsweise einer schadstoffarmen Verbrennung nicht zuträglich ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betätigen eines Brenners mit einem Brennerkopf, der eine Matrixfläche mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen umfasst.
Es wird vorgeschlagen, eine Kenngröße für eine Temperatur des Brennerkopfs im Bereich der Matrixfläche über wenigstens ein im Bereich der Matrixfläche angeordnetes Temperatursensorelement zu erfassen und zum Betätigen des Brenners zu nutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen sehr kontrollierten Betrieb des Brenners und zusätzliche Überwachungsvorrichtungen, beispielsweise Ionisationselektroden, können vermieden werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Figurenbeschreibung betrifft ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und enthält – wie die vorangehende Beschreibungseinleitung, die Ansprüche und die Figuren – zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann selbstverständlich auch einzeln würdigen und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
1 einen Brenner mit einem Brennerkopf, der eine Matrixfläche mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen umfasst,
2 einen Ausschnitt eines die Matrixfläche bildenden Drahtgeflechts nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, und
3 einen Ausschnitt eines eine Matrixfläche bildenden Drahtgeflechts nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt einen Brenner mit einem Brennerkopf 10, der eine Matrixfläche 12 mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen 14 (2) umfasst. Der Brenner wird von einer Steuereinheit 18 gesteuert, die eine Brennstofffördereinheit 16 betreibt. Die Brennstofffördereinheit 16 fördert gasförmigen Brennstoff in einen von der Matrixfläche begrenzten Raum, in welchem dadurch ein leichter Überdruck entsteht. Der gasförmige Brennstoff entweicht durch die Verbrennungsgasöffnungen 14 der Matrixfläche 12 und entzündet sich an einer Flammenfront im Außenraum außerhalb des von der Matrixfläche umgrenzten Brennerkopfs 10.
Der die Matrixfläche 12 durchströmende Brennstoff ist mit Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiger Luft vorgemischt und die Matrixfläche 12 verhindert durch die an den Rändern der Verbrennungsgasöffnungen 14 entstehenden hohen Strömungsgeschwindigkeitsgradienten eine Propagation der Flamme in den Innenraum.
2 zeigt einen Ausschnitt der als Drahtgeflecht ausgebildeten Matrixfläche nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Das Drahtgeflecht ist aus Nickeldrähten gebildet, in die beispielsweise ein Nickel-Chrom(NiCr)-Draht 20 eingewoben ist. Durch den Kontakt des Nickel-Chrom-Drahts 20 mit den Nickeldrähten des Drahtgeflechts 14 entsteht ein als Thermoelement ausgebildetes Temperatursensorelement, da durch einen Unterschied zwischen der Temperatur im Zentrum der Matrixfläche und der Aufhängung der Drähte und durch den Seebeck-Effekt, eine thermoelektrische Spannung in den Kontaktpunkten zwischen den Drähten entsteht. Die sich überkreuzenden Drähte sind in den Kontaktpunkten verlötet oder verschweißt, so dass diese Kontaktpunkte jeweils ein als Thermoelement ausgebildetes Temperatursensorelement 22 bilden. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Nickel-Chrom-Draht 20 in jedem Kreuzungspunkt mit dem Drahtgeflecht verschweißt, bzw. in einer anderen Weise verbunden, so dass eine auf einer geraden Linie angeordnete Reihe von Thermoelementen 22 entsteht. Der Nickel-Chrom-Draht 20 und die Nickeldrähte des Drahtgeflechts der Matrixfläche 14 sind jeweils über einen Analog-Digital-Wandler 24 mit integriertem Verstärker mit der Steuereinheit 18 verbunden, die die entstehenden Thermospannungen auslesen und auswerten kann.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welcher in das die Matrixfläche 12 bildende Drahtgeflecht in einer ersten Richtung vereinzelt Chrom-Nickel-Drähte 20 eingewoben sind, während in einer zweiten Richtung und in gleichmäßigen Abständen Nickeldrähte 26 eingewoben sind. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der ersten Richtung jeder dritte Draht ein Chrom-Nickel-Draht 20 und in der zweiten, in 3 von links oben nach rechts unten verlaufenden Richtung ist jeder fünfte Draht ein Nickeldraht 26. Die Chrom-Nickel-Drähte 20 und die Nickeldrähte 26 sind jeweils in den Kreuzungspunkten miteinander verbunden, so dass in diesen Kreuzungspunkten jeweils die sich überkreuzenden Drähte ein Thermoelement 22 bilden. Es entsteht eine Vielzahl von gleichmäßig über die Matrixfläche verteilten Temperatursensorelementen 22.
Die Steuereinheit ist derart konfiguriert, dass sie in wenigstens einem Betriebszustand eine mittlere Temperatur der Matrixfläche 12 des Brennerkopfs 10 auf einen konstanten, vorgegebenen Wert regelt. Als Stellgröße verwendet die Steuereinheit 18 dabei die von der Brennstofffördereinheit 16 geförderte Brennstoffmenge. Die Temperatursensorelemente 22 sind derart verschaltet, dass sie eine negative Rückkopplung bewirken.
Wenngleich die Überwachung der Flamme des Brennerkopfs 10 prinzipiell durch separate, hier nicht explizit dargestellte Ionisationselektroden erfolgen könnte, welche die Gleichrichterwirkung der Flamme zur Flammenüberwachung nutzen, erfolgt in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brenners die Flammenüberwachung mit Hilfe der Temperatursensoren 22. Die Steuereinheit 18 erkennt aus dem Abfall der von den Temperatursensorelementen 22 erfassten Temperaturen das Erlöschen der Flamme und leitet eine Notabschaltung ein, um ein unkontrolliertes Ausströmen von Gas, das im Anschluss nicht verbrannt wird, zu verhindern. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Thermoelemente als in das Drahtgeflecht der Matrixfläche 12 eingewobene, sich überkreuzende Drähte 20, 26 haben die Thermoelemente 22 eine besonders kleine Masse und reagieren besonders schnell.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung wäre es denkbar, dass ein Draht aus einem ersten Metall, der in einer ersten Richtung verläuft, mehrere Drähte aus einem zweiten Metall, die in einer zweiten Richtung verlaufen, überkreuzt und nur mit einem oder einem Teil der Drähte aus dem zweiten Metall elektrisch leitend verbunden ist, während er gegenüber einem anderen Teil der Drähte aus dem zweiten Metall isoliert ist. Dadurch kann eine punktuelle, ortsaufgelöste Temperaturmessung realisiert werden.

Claims

Vorrichtung mit einem Brennerkopf (10), der eine Matrixfläche (12) mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen (14) umfasst, und mit einer Steuereinheit (18) zum Steuern eines den Brennerkopf (10) umfassenden Brenners, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (10) wenigstens ein im Bereich der Matrixfläche (12) angeordnetes Temperatursensorelement (22) umfasst und dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, den Brenner abhängig von den Sensorsignalen des Temperatursensorelements (22) zu betätigen, wobei die Matrixfläche (12) als Drahtgeflächt ausgebildet ist und das Temperatursensorelement (22) als Thermoelement ausgebildet ist, wobei das Thermoelement durch einen Kontakt von zwei sich überkreuzenden Drähten (20, 26) des Drahtgeflechts aus unterschiedlichem Material gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich überkreuzenden Drähte (20, 26) verlötet oder verschweißt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von gleichmäßig über die Matrixfläche (12) verteilten Temperatursensorelementen (22).
Vorrichtung zumindest nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der im Drahtgeflecht in einer ersten Richtung verlaufenden Drähte (20) aus einem anderen Metall gebildet ist als zumindest ein Teil der in einer zweiten Richtung verlaufenden Drähte (26) im Drahtgeflecht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der in einer der Richtungen verlaufenden Drähte (20) aus CrNi gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, die Sensorsignale des wenigstens einen Temperatursensorelements (22) zur Überwachung einer Flamme des Brenners zu nutzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, den Betrieb des Brenners abhängig von den Sensorsignalen des Temperatursensorelements (22) zu regeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, eine Brennstoffzufuhr des Brenners zu reduzieren, wenn ein von dem Temperatursensorelement (22) erfasstes Sensorsignal einen kritischen Wert überschreitet.
Verfahren zum Betätigen eines Brenners mit einem Brennerkopf (10), der eine Matrixfläche (12) mit einer Matrix von Verbrennungsgasöffnungen (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße für eine Temperatur des Brennerkopfs (10) im Bereich der Matrixfläche (12) über wenigstens ein im Bereich der Matrixfläche (12) angeordnetes Temperatursensorelement (22) erfasst wird und zum Betätigen des Brenners genutzt wird wobei die Matrixfläche (12) als Drahtgeflächt ausgebildet ist und das Temperatursensorelement (22) als Thermoelement ausgebildet ist, wobei das Thermoelement durch einen Kontakt von zwei sich überkreuzenden Drähten (20, 26) des Drahtgeflechts aus unterschiedlichem Material gebildet ist.