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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Brenners und/oder eines Brennverhaltens eines Brenners. Dabei wird ein lonisationssignal gemessen und das gemessene lonisationssignal zur Überwachung des Brenners verwendet. Vorzugsweise dient das Verfahren auch der Regelung des Brenners bzw. des Brennverhaltens des Brenners. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Brenneranordnung mit einem Brenner, einem Wärmetauscher, mindestens einer lonisationselektrode, einer Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung für den Brenner und einer Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung ist mit der lonisationselektrode verbunden und überwacht basierend auf mit der mindestens einen lonisationselektrode gemessenen lonisationssignalen den Brenner und/oder ein Brennverhalten des Brenners. Bei dem Brenner handelt es sich vorzugsweise um einen Gas-Brenner.
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Den prinzipiellen Aufbau einer Brenneranordnung mit einem Brenner, einem umgebenden Wärmetauscher und einer lonisationselektrode zeigt beispielsweise die
EP 2 017 531 B1 . In einem solchen Brenner wird ein Luft-Brennstoff- (oder alternativ: Luft-Gas-)Gemisch verbrannt (siehe auch z. B. die
DE 34 15 946 C2 ). Der Brennstoff ist dabei beispielsweise Propan, Butan oder z. B. in den gasförmigen Zustand überführter Diesel oder ein Gemisch aus diesen Komponenten. Von der Brenneroberfläche geht beim Brennvorgang die Flamme aus.
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Um das Vorliegen einer Flamme oder auch die Verbrennungsqualität selbst zu überwachen und vorzugsweise darauf bauend das Verhalten des Brenners bzw. den Brennvorgang zu regeln, ist es im Stand der Technik bekannt, sog. Ionisationselektroden zu verwenden. Den Aufbau und die Verwendung von Ionisationselektroden zum Überwachen bzw. zum Erkennen einer Flamme beschreiben z. B. die
EP 1 036 984 A1 , die
EP 1 707 880 A1 , die
DE 10 2010 055 567 B4 oder die
EP 2 357 410 A2 . Die sich an die Messung anschließende Regelung des Brennverhaltens erfolgt beispielsweise über die Steuerung der Luftzahl. Dies geschieht mit dem Ziel, beispielsweise bei vollvormischenden Oberflächenbrennern eine sichere, saubere und effiziente Verbrennung zu gewährleisten. Beispielsweise werden ein Gasventil und ein Verbrennungsluftgebläse separat in Abhängigkeit von dem lonisationssignal (also der Ionisationsspannung und/oder dem lonisationsstrom) geregelt.
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Bei der vorgenannten Methode zur Überwachung des Vorhandenseins einer Flamme bei einem Gasbrenner wird die lonisationswirkung einer Flamme ausgenutzt. Dabei wird entweder über zwei Elektroden oder über eine Elektrode und eine Masseelektrode eine Wechselspannung in einem Bereich angelegt, in dem sich die Flamme befinden sollte. Brennt eine Flamme in diesem Bereich, so bewirkt dies einen Gleichrichtereffekt auf die Wechselspannung, der wiederum einen Stromfluss z. B. von der Masse zur Ionisationselektrode bewirkt. Dieser Stromfluss wird von einer Messelektronik erfasst und kann in Form einer Ionisationsspannung als Maß für den eigentlich auftretenden lonisationsstrom bereitgestellt werden. Meist wird für die gemessene Ionisationsspannung ein Grenzwert vorgegeben, dessen Überschreiten als Vorhandensein einer Flamme gewertet wird und dessen Unterschreiten dahingehend interpretiert wird, dass keine Flamme brennt. Insgesamt wird also ein lonisationssignal ermittelt, bei dem es sich je nach Ausgestaltung um eine Spannung oder um einen Strom handeln kann.
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Es ist bekannt, die Oberfläche des Brenners (also die Brenneroberfläche), von der die Flamme ausgeht, als elektrische Masse zu verwenden. Relativ zu dieser Oberfläche bzw. zu dieser Masseelektrode wird die lonisationselektrode angebracht. Entscheidend für die Messung der Ionisationsspannung ist dabei die Position der Elektrode relativ zur Flamme bzw. zur Brenneroberfläche.
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Gasbrenner und insbesondere gebläsebetriebene Gasbrenner sind häufig wechselnden Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die zu einem veränderlichen Brennverhalten führen können. Derartige Umgebungsparameter sind zum Beispiel Luftdruck, Temperatur der Verbrennungszuluft, Gasdruck (also der Druck, mit dem das Brenngas zugeführt wird), Gasart und auch der Energiewert des Gases. Dabei ist zu berücksichtigen, dass häufig die Zusammensetzung des Brenngases variieren kann. Zum Beispiel kann bei typischen Gasgemischen wie LPG (Liquefied Petroleum Gas; Autogas) bzw. typischen Propan/Butan-Gemischen die Zusammensetzung veränderlich sein. So ist es je nach Gaszufuhr möglich, dass reines Propan, reines Butan oder auch ein undefiniertes Propan/Butan-Gemisch zugeführt wird.
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Es besteht somit aufgrund der veränderlichen Umgebungsparameter die Möglichkeit, dass der Gasbrenner nicht im optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem der Brennstoff optimal verbrannt wird und der Schadstoffausstoß minimal ist. Ist ein solches Verhältnis zwischen Brenngas und (Luft-)Sauerstoff gegeben, sodass eine vollständige Verbrennung stattfindet, indem das Brenngas vollständig mit dem (Luft-)Sauerstoff reagieret, so spricht man von einer stöchiometrischen Verbrennung, was Lambda = 1 entspricht. Ist der Wert Lambda kleiner als 1, also unterstöchiometrisch, so bedeutet dies, dass das Luft-Brennstoff-Gemisch so ist, dass eine fette, unvollständige Verbrennung unter Sauerstoffmangel gegeben ist. Ist der Wert Lambda größer als 1, also überstöchiometrisch, so erfolgt die Verbrennung rechnerisch unter Luftüberschuss. In der technischen Verbrennung werden je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Lambdabereiche für eine saubere und schadstoffarme Verbrennung genutzt. Bei vollvermischenden Gasbrennern wird oftmals ein Bereich von Lambda = 1,2 bis Lambda = 1,5 genutzt. In diesem Lambdabereich erfolgt die Verbrennung vollständig und hygienisch. Eine Verbrennung außerhalb dieser Grenzen führt zu einem verminderten Wirkungsgrad und einem erhöhten Ausstoß schädlicher Abgasbestandteile.
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Die
EP 0 770 824 B1 sieht vor, dass ausgehend von einem mageren, überstöchiometrischen Brennerbetrieb der Luftüberschuss so lange reduziert wird, bis eine unterstöchiometrische Verbrennung vorliegt. Dafür wird die Ionisationsspannung zwischen einer lonisationselektrode und der Brenneroberfläche gemessen. Da bei stöchiometrischer Verbrennung die Ionisationsspannung maximal ist, steigt bei dem beschriebenen Verfahren die Ionisationsspannung bei Reduzierung des Luftüberschusses zunächst an. Fällt die Ionisationsspannung nach Erreichen des Maximums in weiterer Folge ab, so ist dies ein Zeichen dafür, dass die Verbrennung unterstöchiometrisch ist.
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Der qualitative Verlauf des lonisationssignals zeigt in der Regel im relevanten Lambda-Bereich reproduzierbar charakteristische Merkmale. Die absoluten Werte können jedoch Abweichungen unterliegen. So ist z. B. der Absolutwert der Ionisationsspannung abhängig von der Position der lonisationselektrode (eine andere Bezeichnung ist auch Ionisationskerze), von Alterungseigenschaften, von der Beschaffenheit des Brennstoffs oder auch von der Höhenlage, in welcher der Brennvorgang stattfindet. Daher ist eine Kalibrierung der Messanordnung zweckmäßig, um das Ionisationssignal als Regelgröße für eine Verbrennungsregelung zu nutzen.
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Die Kalibrierung besteht beispielsweise im Auffinden des vorgenannten Maximums der Ionisationsspannung durch Variation des Mischungsverhältnisses, indem eine Anfettung des Luft-Brennstoff-Gemischs vorgenommen wird. Dabei wird die Verbrennung bis zur Ermittlung der maximalen Spannung schrittweise fetter eingestellt, indem ein Gebläse für die Verbrennungsluft mit geringerer Drehzahl läuft oder ein Ventil mehr Gas einströmen lässt. Alternativ ist es bekannt, eine Kalibrierung unter Abmagerung des Gas-Luft-Gemischs vorzunehmen (siehe z. B. die
EP 2 014 985 A2 ).
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Insbesondere das Anfahren des fetten bzw. unterstöchiometrischen Bereichs hat den Nachteil der erhöhten Kohlenmonoxid-Bildung, der verstärkten Alterung der Brenneroberfläche oder z. B. auch der erhöhten Rußbildung.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Überwachung eines Brenners und eine entsprechende Brenneranordnung mit einem derartig überwachbaren Brenner vorzuschlagen, die eine Alternative zum Stand der Technik darstellen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das lonisationssignal zwischen einer lonisationselektrode und einer von einer Brenneroberfläche des Brenners beabstandeten Gegenelektrode gemessen wird.
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Die Überwachung besteht beispielsweise darin, dass aus dem relativ zur Gegenelektrode und bei einem bekannten Lambda-Wert gemessenen lonisationssignal ein Betrag für eine Ionisationsspannung oder einen lonisationsstrom ermittelt wird und dass dieser Wert mit einem Sollwert verglichen wird. Bei einer Abweichung des ermittelten Werts vom Sollwert über einen Toleranzbereich hinaus wird eine Korrektur des Luft-Brennstoff-Gemischs vorgenommen, z. B. wird der Luft-Anteil erhöht oder verringert. In einer der folgenden Ausgestaltungen wird beschrieben, wie ein solcher Sollwert ermittelt bzw. wie das Verfahren einer Kalibrierung unterzogen wird.
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Das Verfahren dient der Überwachung eines Brenners oder speziell des Brennverhaltens eines Brenners. Vorzugsweise dient das Verfahren der Überwachung oder Regelung der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs durch den Brenner, also des Brennverhaltens des Brenners. In einer der folgenden Ausgestaltungen umfasst das Verfahren auch ein Kalibrieren bzw. ein Ermitteln der für die Überwachung verwendeten Parameter.
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Bei dem Brenner handelt es sich vorzugsweise um einen vollvormischenden Oberflächenbrenner.
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Im Stand der Technik dient der Brenner bzw. speziell die Brenneroberfläche, von welcher die beim Verbrennen erzeugten Flammen ausgehen, als Gegenelektrode, der gegenüber mit der lonisationselektrode das lonisationssignal (also z. B. die Ionisationsspannung oder der Ionisationsstrom) gemessen wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren geschieht dies jedoch über eine von der Brenneroberfläche beabstandete Gegenelektrode. Die Gegenelektrode ist somit vor allem auch kein Teil vom Brenner und ist - je nach Ausgestaltung - von dem Brenner bzw. insbesondere der Brenneroberfläche galvanisch getrennt.
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Die Idee besteht darin, dass ein elektrisches Ionisationssignal (also je nach Ausgestaltung eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom) zwischen der lonisationselektrode und einer von der Brenneroberfläche beabstandeten Gegenelektrode gemessen wird. Aus dem so gemessenen lonisationssignal wird dann ermittelt, ob der Brennvorgang optimal stattfindet und ob möglicherweise auf den Brenner bzw. auf die gesamte Brennanordnung regulierend eingegriffen werden muss.
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Die Gegenelektrode ist in einer möglichen Ausgestaltung ein die Brenneroberfläche zumindest teilweise umgebender Wärmetauscher. Dabei ist der Wärmetauscher oder z. B. ein der Brenneroberfläche zugewandtes Innengehäuse des Wärmetauschers zumindest teilweise elektrisch leitfähig. Der Wärmetauscher dient in einer Ausgestaltung dazu, dass die thermische Energie des beim Verbrennen erzeugten Rauchgases auf ein Fluid, z. B. Wasser übertragen wird.
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Verwendet wird je nach Ausgestaltung eine einzelne lonisationselektrode, die im Vergleich zum Stand der Technik weiter vom Flammenbereich - also insbesondere von der Brenneroberfläche - entfernt ist, oder es werden mindestens zwei Ionisationselektroden - beispielsweise in unterschiedlichen Abständen zur Brenneroberfläche - zur Messung von lonisationssignalen verwendet. Bei der Messung mit nur einer lonisationselektrode befindet sich diese vorzugsweise in einer Ausgestaltung mittig zwischen der Brenneroberfläche und dem Wärmetauschergehäuse als einem Beispiel für die von dem Brenner unterschiedliche Gegenelektrode.
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In einer Variante wird eine Zündkerze sowohl zum Zünden des Brennvorgangs des Brenners als auch als lonisationselektrode verwendet.
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In einer Ausgestaltung wird - basierend auf dem mindestens einen lonisationssignal - auf eine Versorgung des Brenners mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch eingewirkt. So wird beispielsweise die Luftzufuhr oder die Brennstoffzufuhr geändert. Alternativ oder ergänzend wird und/oder auf eine Zusammensetzung eines Luft-Brennstoff-Gemischs, mit welchem der Brenner versorgt wird, eingewirkt, z. B. verändert.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Ionisationssignal zwischen der Ionisationselektrode und der Gegenelektrode gemessen wird, indem die Gegenelektrode elektrisch mit Masse verbunden wird.
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Ergänzend zur Messung eines lonisationssignals zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode wird in einer Ausgestaltung ein - zusätzliches oder ergänzendes - lonisationssignal zwischen der lonisationselektrode und einer Brenneroberfläche des Brenners gemessen. Dieses lonisationssignal wird somit vorzugsweise ergänzend zum Ionisationssignal zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode für die Überwachung des Brenners verwendet.
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Bei den vorgenannten separaten lonisationssignalen sind vorzugsweise die Brenneroberfläche bzw. allgemein der Brenner und die Gegenelektrode galvanisch voneinander getrennt, also elektrisch voneinander isoliert.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Art von einem gemischten lonisationssignal (ggf. als ergänzendes Signal zusätzlich zu einem nur zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode gemessenem Ionisationssignal) gemessen, indem der Wärmetauscher - bzw. ein Wärmetauschergehäuse - und der Brenner - bzw. vorzugsweise die Brenneroberfläche - mit Masse und vorzugsweise mit der gleichen Masse elektrisch verbunden sind.
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Die unterschiedlichen lonisationssignale ergeben sich somit je nach Ausgestaltung aus folgenden Messanordnungen: Es wird das lonisationssignal zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode gemessen, wobei die Brenneroberfläche elektrisch von der Gegenelektrode isoliert ist. Alternativ oder ergänzend wird das Ionisationssignal zwischen einerseits Gegenelektrode und Brenneroberfläche, die beide miteinander bzw. jeweils mit Masse verbunden sind, und andererseits der lonisationselektrode gemessen. In einer weiteren Ausgestaltung wird - wie im Stand der Technik üblich - ein (vorzugsweise ergänzendes) lonisationssignal zwischen der lonisationselektrode und der mit Masse verbundenen und von der Gegenelektrode elektrisch isolierten Brenneroberfläche gemessen. Die Gegenelektrode wird dabei in einer Ausgestaltung insbesondere durch einen die Brenneroberfläche umgebenden Wärmetauscher gebildet.
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In einer Ausgestaltungen werden Ionisationssignale über an unterschiedlichen Positionen befindlichen Ionisationselektroden aufgenommen.
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Insbesondere für die Messung des lonisationssignals zwischen der lonisationselektrode und der Gegenelektrode wird eine solche lonisationselektrode verwendet, die sich in einem Bereich um den mittleren Abstand zwischen dem Brenner (oder speziell der Brenneroberfläche) und der Gegenelektrode befindet. Der Bereich liegt dabei in einer Ausgestaltung innerhalb von plus oder minus 20% zum mittleren Abstand. In einer weiteren Ausgestaltung liegt der Bereich innerhalb von plus oder minus 10% relativ zum mittleren Abstand. Die für die Messung des lonisationssignals verwendete Ionisationselektrode befindet sich in einer Ausgestaltung insbesondere näher an der Gegenelektrode als an der Brenneroberfläche.
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Wie bereits zum Stand der Technik ausgeführt, ist es bei der Verwendung der lonisationssignale vorteilhaft und sicherheitsrelevant, Kalibrierungen vorzunehmen bzw. zumindest gelegentlich oder zumindest bei einer ersten Inbetriebnahme die für die Überwachung und vorzugsweise Regelung des Brennverhaltens verwendeten Parameter (z. B. Soll- oder Grenzwerte) zu ermitteln.
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Werden nun wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die lonisationssignale zwischen Ionisationselektrode und beabstandeter Gegenelektrode ermittelt, so erlaubt dies die folgenden Verfahrensschritte, wobei der große Vorteil darin liegt, dass die Kalibrierung bzw. Parameter-Ermittlung im abgemagerten Bereich stattfindet. Dies reduziert u.a. die Umweltbelastung.
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So sieht es eine Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass für eine Kalibrierung und/oder für eine Ermittlung von bei der Überwachung des Brenners verwendeten Parametern lonisationssignale bei einer überstöchiometrischen Verbrennung gemessen werden, und dass ein lokales Extremum (z. B. ein Minimum des Betrags) des lonisationssignals in Abhängigkeit von einem Lambda-Wert eines dem Brenner zugeführten Luft-Brennstoff-Gemischs ermittelt und für die Kalibrierung bzw. die Ermittlung verwendet wird.
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Für eine Kalibrierung bzw. eine Ermittlung notwendiger Parameter oder ggf. für eine Parameterkorrektur (z. B. des vorgenannten Sollwerts für die Amplitude des lonisationssignals) werden somit in dieser Ausgestaltung Messungen des lonisationssignals im abgemagerten Bereich, d. h. mit einem Luft-Überschuss vorgenommen. Dabei wird - vorzugsweise nur - im abgemagerten Bereich das Verhältnis von Luft und Brennstoff variiert (es wird also der Lambda-Wert geändert) und es werden die jeweiligen lonisationssignale gemessen und ausgewertet. Dabei wird insbesondere ein lokales Extremum des lonisationssignals in Abhängigkeit vom Lambda-Wert ermittelt. Dieses Extremum dient anschließend zur Kalibrierung bzw. zur Ermittlung der ggf. erforderlichen Parameteranpassung.
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Vorteilhaft bei den vorgenannten Schritten ist, dass die Messungen im schonenden mageren Bereich erfolgen. Die Messungen des lonisationssignals erfolgen vorzugsweise zwischen mindestens einer lonisationselektrode und der vom Brenner beabstandeten Gegenelektrode. Je nach dem Vorzeichen des gemessenen lonisationssignals bzw. je nachdem, wie - z. B. unter Betrachtung des Betrags - das lonisationssignal ausgewertet wird, handelt es sich bei dem lokalen Extremum um ein Minimum oder um ein Maximum.
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Hierbei wird darauf Bezug genommen, dass sich in vielen Untersuchungen gezeigt hat, dass die relativ zur beschriebenen Gegenelektrode gemessenen lonisationssignale im abgemagerten Bereich einen besonderen Verlauf zeigen, der bei der Messung gemäß dem Stand der Technik nicht auftritt und der es erlaubt, die Kalibrierung bzw. die Ermittlung der Parameter vorzunehmen.
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Daher wird in diesem Verfahrensschritt ein lokales Extremum der gemessenen lonisationssignale über Lambda im Bereich des mageren Luft-Brennstoff-Gemischs (also mit einem Lambda-Wert größer 1) ermittelt. Dieses Extremum wird dann in einer Ausgestaltung für die Kalibrierung angefahren. Anschließend wird der Lambda-Wert beispielsweise durch Verringerung der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses um einen vorgegebenen Wert reduziert, um dadurch einen gewünschten Verbrennungsprozess zu erreichen.
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Dabei hat sich gezeigt, dass das Extremum in einem solchen Bereich des Lambda-Werts liegt, in dem noch nicht mit einer kritischen Verbrennungsinstabilität gerechnet werden muss.
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Alternativ oder ergänzend ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass für eine Kalibrierung und/oder für eine Ermittlung der bei der Überwachung des Brenners verwendeten Parameter lonisationssignale über mindestens zwei Ionisationselektroden gemessen werden, wobei sich die Ionisationselektroden in unterschiedlichen Abständen zu einer Brennoberfläche des Brenners und/oder der Gegenelektrode befinden. Die lonisationssignale werden dabei - vorzugsweise unter Variation des Lambda-Werts des dem Brenner zugeführten Luft-Brennstoff-Gemischs - derartig gemessen, dass zumindest die Gegenelektrode auf Masse liegt.
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In einer Ausgestaltung werden die lonisationssignale mit unterschiedlichen Lambda-Werten gemessen. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung wird ein Schnittpunkt der beiden Kurvenverläufe (also die Abhängigkeit z. B. der Amplitude des lonisationssignals vom Lambda-Wert) zur Kalibrierung bzw. zur Ermittlung der Parameter verwendet. Auch in dieser Variante werden in einer Ausführung die Messungen vorzugsweise nur im überstöchiometrischen Bereich vorgenommen.
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Weiterhin löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Brenneranordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuervorrichtung für eine Überwachung - und/oder Regelung
- - des Brenners und/oder eines Brennverhaltens eines Brenners mindestens ein zwischen der lonisationselektrode und dem Wärmetauscher gemessenes lonisationssignal verwendet.
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Die Ausgestaltungen des Verfahrens werden vorzugsweise durch die Brenneranordnung ausgeführt, sodass die diesbezüglichen Ausführungen auch für die Varianten der Brenneranordnung gelten. Insbesondere erlaubt die Steuervorrichtung die Überwachung bzw. Steuerung durch das Umsetzen wenigstens einer der vorangehenden Ausgestaltungen des Verfahrens.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die lonisationselektrode in einem Bereich um einen mittleren Abstand zwischen einer Brenneroberfläche und dem Wärmetauscher angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die lonisationselektrode in einem Bereich von Plus/Minus 20% um den mittleren Abstand zwischen einer Brenneroberfläche und dem Wärmetauscher angeordnet ist. Beträgt also der mittlere Abstand M, so befindet sich die lonisationselektrode in dieser Ausgestaltung in einem Bereich zwischen 0,8 * M und 1,2 * M.
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Eine alternative oder ergänzende Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuervorrichtung für eine Kalibrierung und/oder für eine Ermittlung von bei der Überwachung des Brenners verwendeter Parameter über die Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung das dem Brenner zugeführte Luft-Brennstoff-Gemisch abmagert und mit dem abgemagerten Luft-Brennstoff-Gemisch gemessene lonisationssignale auswertet.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuervorrichtung für die Kalibrierung bzw. die Ermittlung der Parameter ein lokales Extremum der lonisationssignale ermittelt.
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In einer Variante dient eine lonisationselektrode zusätzlich der klassischen Flammüberwachung und/oder als Zündkerze zum Starten eines Brennvorganges.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brenneranordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen die:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung,
- 2 einen Schnitt durch ein schematisches Blockschaltbild einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung,
- 3 zwei Messkurven der Ionisationsspannung für zwei Ionisationselektroden in unterschiedlichen Abständen zur Brenneroberfläche, wobei nur die Brenneroberfläche auf Masse liegt, und
- 4 zwei Messkurven der vorgenannten zwei Ionisationselektroden, wobei die Brenneroberfläche und der umgebende Wärmetauscher auf Masse liegen und
- 5 zwei Messkurven der vorgenannten zwei Ionisationselektroden, wobei nur der die Brenneroberfläche umgebende Wärmetauscher auf Masse liegt.
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Die 1 zeigt schematisch eine Brenneranordnung 1 mit einem Brenner 2, der über eine Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung 5 mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch versorgt wird. Bei dem Brennstoff handelt es sich beispielsweise um ein brennbares Gas wie Propan oder Butan oder um Diesel, der in den gasförmigen Zustand überführt worden ist.
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Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird von dem Brenner 2 verbrannt, wobei sich hier oberhalb der Brenneroberfläche 2' des Brenners 2 eine - nicht dargestellte - Flamme bildet.
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Die Brenneroberfläche 2' ist umgeben von einem Wärmetauscher 3, in welchem die durch den Brennprozess erzeugte Wärme - in Form der Flamme und des erzeugten Rauchgases - auf ein weiteres Medium, z. B. auf Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch übertragen wird.
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Der Wärmetauscher 3 ist zumindest teilweise und vorzugsweise auf der der Brenneroberfläche 2' zugewandten Innenseite elektrisch leitfähig ausgestaltet. Diese Leitfähigkeit erlaubt es, den Wärmetauscher 3 elektrisch mit Masse zu verbinden bzw. die Ionisationsspannung über die mindestens eine lonisationselektrode 4 gegenüber dem Wärmetauscher 3 zu messen.
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Der Überwachung bzw. Regelung des Brennvorgangs dient - in der dargestellten Ausgestaltung nur - eine lonisationselektrode 4, über die ein lonisationssignal (hier beispielsweise die Ionisationsspannung) gemessen wird. Alternativ kann ein lonisationsstrom gemessen werden.
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Für die Messung der Spannung (alternativ des Stroms) wird entweder die Brenneroberfläche 2' des Brenners 2 oder die zuvor erwähnte, zumindest teilweise elektrisch leitfähige Innenfläche des Wärmetauschers 3 mit Masse verbunden, sodass mit der Ionisationselektrode 4 die Ionisationsspannung gegenüber dem Brenner 2 bzw. gegenüber dem Wärmetauscher 3 gemessen wird. Es ist auch in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Wärmetauscher 3 und die Brenneroberfläche 2' auf der gleichen Masse liegen, sodass das lonisationssignal von der lonisationselektrode 4 gegenüber beiden als Gegenelektrode gemessen wird.
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Je nach Variante bzw. Verfahrensschritt wird somit das lonisationssignal von der mindestens einen lonisationselektrode 4 mit der Brenneroberfläche 2', mit dem Wärmetauscher 3 als einzelne Gegenelektroden oder mit der Brenneroberfläche 2' und dem Wärmetauscher 3 als gemeinsamer Gegenelektrode gemessen. Diese drei unterschiedlich gemessenen lonisationssignale werden dann einzeln oder gemeinsam verarbeitet und für die Überwachung des Brenners 2 bzw. als Regelgröße des Brennverhaltens des Brenners 2 verwendet.
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In einer Ausgestaltung befinden sich die Brenneroberfläche 2' und der Wärmetauscher 3 auf gleicher Masse, sodass das Ionisationssignal gegenüber Brenneroberfläche 2' und Wärmetauscher 3 gemessen wird. Die Möglichkeiten, zwischen welchen Komponenten die elektrische Spannung gemessen wird, sind in der Abbildung durch die Doppelpfeile angedeutet.
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Die lonisationselektrode 4 ist mit der Steuervorrichtung 6 verbunden, die das Messsignal (also das Ionisationssignal) auswertet oder verarbeitet und die ausgehend von den Messwerten auf die Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung 5 einwirkt. Dies geschieht z. B. über die Regulierung der Brennstoffmenge oder z. B. durch eine Steuerung eines - hier nicht dargestellten - die Luft fördernden Gebläses. Das Einwirken der Steuervorrichtung 6 auf die Steuerung des Brennvorgangs ist durch den gestrichelten Pfeil angedeutet.
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In einer Ausgestaltung wirkt die Steuervorrichtung 6 auf eine - hier nicht dargestellte - Startvorrichtung zum Starten eines Brennvorgangs ein, falls sich z. B. aus dem lonisationssignal ergibt, dass keine Flamme brennt. Die Anordnung 1 erlaubt somit auch die Flammüberwachung.
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Der Schnitt der 2 zeigt eine Brenneranordnung 1 mit zwei Ionisationselektroden 4, 4', die sich radial in unterschiedlichen Abständen zwischen der Brenneroberfläche 2' und der Innenseite des Wärmetauschers 3 befinden. Zu sehen ist, dass die Brenneroberfläche 2' in dieser Ausgestaltung einen kreisförmigen Querschnitt hat, der von der Innenwandung des kreiszylindrischen Wärmetauschers 3 umgeben wird. Die Darstellung ist dabei nicht größengerecht.
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In einer Ausgestaltung hat die Brenneroberfläche 2' einen Durchmesser von 50 mm, wobei der Abstand zwischen der Brenneroberfläche 2' und dem Innenrand des Wärmetauschers 3 38 mm beträgt. Dabei haben die beiden Ionisationselektroden 4', 4 in diesem Ausführungsbeispiel einen Abstand zwischen 5 mm und 9 mm (für die näher an der Brenneroberfläche 2' benachbarte lonisationselektrode 4') bzw. zwischen 14 mm und 22 mm (für die weiter von der Brenneroberfläche 2' entfernte lonisationselektrode 4) zur Außenfläche der Brenneroberfläche 2'.
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Die Position der inneren lonisationselektrode 4' entspricht der im Stand der Technik bekannten Ausgestaltung. Der geringe Abstand zur Brenneroberfläche 2' hat den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass die lonisationselektrode 4' direkt in eine Flamme hineinragt. Dies bezieht sich somit insbesondere auf die Anwendung der Ionisationselektrode 4' für die Flammenerkennung.
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Die radial weiter äußere lonisationselektrode 4 befindet sich hier in einem Bereich um einen mittleren Abstand zwischen der Brenneroberfläche 2' und dem Innenrand des Wärmetauschers 3.
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Für eine Messung des lonisationssignals wird in einer Variante die Innenwandung des Wärmetauschers 3 auf Masse gelegt und das elektrische Ionisationssignal wird über die lonisationselektrode 4 gegenüber dieser Masse gemessen.
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Die Diagramme der 3 bis 5 zeigen beispielhafte Messungen, die den Verlauf der Kurven verdeutlichen. Die Messwerte sind dabei stark abhängig von den jeweils gegebenen Abmessungen der Komponenten der Brenneranordnung oder z. B. auch von der Leistung, mit welcher der Brenner betrieben wird.
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Die 3 zeigt zwei lonisationsspannungen, die mit den zwei Ionisationselektroden 4, 4' der Ausgestaltung der 2 gemessen worden sind.
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Gemessen wurden die Spannungen (auf der y-Achse sind die Spannungen mit negativem Vorzeichen aufgetragen) jeweils gegenüber der Brenneroberfläche 2', die auf Masse lag. Diese Messung entspricht somit dem Stand der Technik. Bei den Messungen war der Wärmetauscher 3 jeweils elektrisch von der Brenneroberfläche 2' isoliert. Auf der x-Achse ist der von links nach rechts zunehmende Lambda-Wert aufgetragen. Somit wird das Gemisch von links nach rechts magerer.
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Zu erkennen ist, wie ausgehend von einem Maximum (gekennzeichnet durch einen Pfeil) im Bereich Lambda = 1 jeweils die Spannungswerte mit zunehmendem Lambda-Wert - also magerem Luft-Brennstoff-Verhältnis - kleiner werden. Dieser Verlauf des abfallenden Signals von einem Maximum ist in der Regel reproduzierbar und ist aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die 4 zeigt die Verläufe der Spannungswerte, wenn die Spannungen zwischen einerseits der jeweiligen lonisationselektrode 4, 4' und andererseits sowohl der Brenneroberfläche 2' als auch dem umgebenden Wärmetauscher 3 der Ausgestaltung der 2 gemessen werden. Dabei sind im Gegensatz zu den Messungen der 3 die Brenneroberfläche 2' und der Wärmetauscher 3 elektrisch miteinander verbunden und somit auf gleicher Masse.
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Die obere Kurve wurde mit der lonisationselektrode 4' gemessen, die näher an der Brenneroberfläche 2' positioniert ist. Die untere Kurve entstammt der Messung über die von der Brenneroberfläche 2' weiter entfernteren Ionisationselektrode 4.
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Es zeigt sich deutlich, dass die Spannung der der Brenneroberfläche 2' näher liegenden lonisationselektrode 4' den bekannten abfallenden Verlauf des lonisationssignals zeigt.
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Das lonisationssignal der weiter entfernten lonisationselektrode 4 fällt ausgehend von dem Maximum bei Lambda = 1 zunächst ab, um dann nach einem lokalen Minimum - das hier also das gesuchte lokale Extremum ist - wieder anzusteigen. Im weiteren - hier nicht dargestellten - Verlauf der Messkurve fällt die Amplitude auch dieses Ionisationssignals wie bei der Kurve der näher an der Brenneroberfläche 2' befindlichen lonisationselektrode 4' gegen Null ab.
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Es ergibt sich somit in diesem abgemagerten Bereich ein lokales Minimum, das zur Kalibrierung verwendet wird. Dieses Minimum ist in der Abbildung durch einen Pfeil gekennzeichnet.
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Es hat sich bei etlichen Versuchen gezeigt, dass das lokale Minimum zumeist zwischen Lambda = 1,4 und Lambda = 1,6 auftritt. In der hier gezeigten Messung liegt das Minimum ungefähr bei Lambda = 1,55.
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Das lonisationssignal wird nach dem Durchlaufen des Minimums wieder größer, um dann wieder abzufallen. Bei diesen größeren Lambda-Werten zeigt sich auch ein starkes Abheben der Flamme von der Brenneroberfläche.
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Versuche zeigen, dass die Position und die Ausprägung des Minimums im mageren Bereich auch von der Flächenbelastung des Brenners (Quotient aus zugeführter Energie und nutzbarer Brenneroberfläche) abhängen. Daher ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass bei jeder Änderung der Leistung, mit welcher der Brenner 2 betrieben wird, eine neue Ermittlung der Regelparameter, also eine neue Kalibrierung vorgenommen wird.
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Ein Verfahren zur Kalibrierung - und damit beispielsweise als Teil des Verfahrens zur Überwachung des Brenners bzw. zur Steuerung des Brennvorgangs - besteht darin, dass das Luft-Brennstoff-Gemisch abgemagert wird und dass ein lokales Minimum des lonisationssignals zwischen der lonisationselektrode und dem Wärmetauscher als ein Beispiel für eine umgebende Gegenelektrode gesucht wird. Das Minimum dient dann zur Kalibrierung, um schließlich mit den Kalibrierungsdaten das Brennverhalten des Brenners überwachen bzw. den Brennvorgang regeln zu können. Ein großer Vorteil ist dabei, dass die Kalibrierung im abgemagerten Bereich vorgenommen wird.
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Alternativ wird ausgehend vom Minimum ein Sollwert errechnet, der - insbesondere in Abhängigkeit von der Leistung bzw. der Flächenbelastung des Brenners - um einen vorher festgelegten Wert höher liegt, und dann als Regelgröße verwendet wird.
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In der 5 ist der Verlauf der über die zwei Ionisationselektroden 4, 4' gemessenen lonisationsspannungen für den Fall gezeigt, dass nur der Wärmetauscher 3 als Gegenelektrode zur jeweiligen Ionisationselektrode 4, 4' elektrisch mit Masse verbunden und galvanisch von der Brenneroberfläche 2' getrennt ist. Aufgetragen ist wie bei den beiden vorhergehenden Abbildungen auf der y-Achse die negative Spannung und auf der x-Achse der von links nach rechts zunehmende Lambda-Wert.
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Die obere Kurve gehört zu der lonisationselektrode 4' der 2, die sich näher an der Brenneroberfläche 2' befindet. Es gibt das bekannte Maximum um den Bereich mit Lambda = 1 und den Abfall in Richtung zunehmender Lambda-Werte.
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Unterschiedlich dazu ist der Verlauf der unteren Kurve, die mit der mittig zwischen Brenneroberfläche 2' und Gegenelektrode 3 befindlichen lonisationselektrode 4 gemessen worden ist. Auch hier liegt ein Maximum bei Lambda = 1 vor. Im mageren Bereich nimmt der Betrag der Amplitude der gemessenen Spannung ab, um in dem mit dem Pfeil angedeuteten Bereich ein Minimum als Extremum zu passieren. Nach diesem Minimum steigt die Kurve wieder an, um - in dem hier nicht dargestellten - Bereich mit größeren Lambda-Werten gegen Null abzufallen.
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Auch hier zeigt sich somit ein Extremum, das der Kalibrierung bzw. Ermittlung oder der Korrektur der Regelparameter dienen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brenneranordnung
- 2
- Brenner
- 2'
- Brenneroberfläche
- 3
- Wärmetauscher
- 4, 4'
- Ionisationselektrode
- 5
- Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung
- 6
- Steuervorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2017531 B1 [0002]
- DE 3415946 C2 [0002]
- EP 1036984 A1 [0003]
- EP 1707880 A1 [0003]
- DE 102010055567 B4 [0003]
- EP 2357410 A2 [0003]
- EP 0770824 B1 [0008]
- EP 2014985 A2 [0010]
