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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Zünden eines Vormischbrenners zur Verbrennung von Brenngas mit Umgebungsluft. Insbesondere soll auch die Nachrüstung von vorhandenen Anlagen ohne großen Aufwand ermöglicht werden.
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Bekannte Brenner werden von einem Gebläse mit Umgebungsluft versorgt, der über ein Brenngasventil Brenngas in einer vorgebbaren Menge beigemischt wird. Das Gemisch wird dann in einer Brennkammer gezündet und anschließend in einer stabilen geregelten Verbrennung zur Wärmeerzeugung genutzt, meist um warmes Brauchwasser und/oder Wärme für ein Heizsystem bereitzustellen. Dabei ist der Zündvorgang ein relativ wichtiger Teil des gesamten Verfahrens. Ein Gemisch aus Luft und Brenngas zündet nur sicher und umweltfreundlich, wenn das Mischungsverhältnis von Luft zu Brenngas (auch als die Luftzahl oder Lambda bezeichnet) in einem zündfähigen und umweltverträglichen Bereich vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so gelangt möglicherweise (teilweise) unverbranntes Brenngas in die Umwelt, darunter ggf. auch Kohlenmonoxid, und/oder es kann an unerwünschter Stelle zur Ansammlung von zündfähigem Gemisch kommen, was eine Explosionsgefahr bedeuten kann. Aus diesem Grunde wird der sicheren Zündung, also dem Start eines Verbrennungsvorganges in einem Brenner, besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
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Nach dem Stand der Technik wird bisher zunächst ein Gebläse eingeschaltet, welches einen vorgebbaren Luftstrom über eine Venturidüse in den Brenner leitet. Diesem Luftstrom wird anschließend an einem Brenngaseinlass vor der Venturidüse Brenngas beigemischt, was durch Öffnen eines Brenngasventils erfolgt. Um sicherzustellen, dass das Brenngas nicht zu früh beigemischt wird, gibt es eine Referenzdruckleitung, die den Druck zwischen Gebläse und Brenngaseinlass an das Brenngasventil weiterleitet, so dass sich dieses erst öffnet, wenn genügend Luft vom Gebläse gefördert wird. Umgekehrt schließt sich das Brenngasventil, wenn aus irgendeinem Grund nicht mehr genug Luft gefördert wird.
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Diese beschriebene mechanische Regelung kann auch mittels eines elektronischen Sensors und einer entsprechenden elektronischen Regelung erfolgen. In jedem Fall gibt es eine Steuerung oder Regelung für das gesamte System, die das Gebläse einschaltet und dessen Drehzahl sowie die Öffnung des Brenngasventils nach vorgebbaren Kalibrierdaten für einen sicheren Betrieb des Brenners bei unterschiedlicher Last regeln.
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Nach dem Stand der Technik kann es jedoch beim Zündvorgang aus verschiedenen Gründen zu Problemen kommen. Einerseits gibt es für alle Bauteile und Parameter Toleranzen und/oder Verschmutzungen und/oder Verschleiß, die dazu führen, dass ein gewünschter Wert für einen Parameter nicht immer genau eingestellt werden kann. Andererseits gibt es im Betrieb unterschiedliche Umgebungstemperaturen, Luftfeuchtigkeit und sogar geringe Unterschiede in der Brenngaszusammensetzung, die dazu führen, dass mit einer vorgegebenen Einstellung von Gebläse und Brenngasventil manchmal kein zündfähiges Gemisch erreicht wird. Typischerweise wird aus Gründen des Umweltschutzes versucht, ein möglichst mageres Gemisch (also mit niedriger Luftzahl) für die Zündung einzustellen, das gerade noch zündfähig ist. Dies kann jedoch bei ungünstigen Bedingungen manchmal dazu führen, dass keine Zündung erfolgt und der Vorgang wiederholt oder das System sogar abgeschaltet werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen und speziell den Zündvorgang so zu verändern, dass eine sichere Zündung bei unterschiedlichen Bedingungen und großen Toleranzen der benutzten Bauteile erfolgen kann, insbesondere mit vernachlässigbaren Auswirkungen auf den übrigen Betrieb des Brenners und die Umwelt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur (sicheren) Zündung eines Brenners zur Verbrennung eines Gemisches von Luft und Brenngas bei, wobei ein Gebläse mit einer Zünd-Solldrehzahl einen Luftstrom erzeugt, der über eine Venturidüse dem Brenner zugeleitet wird, und dem Luftstrom vor der Venturidüse über ein Brenngasventil Brenngas an einem Brenngaseinlass beigemischt wird. Weiter ist vorgesehen, dass ein Referenzdruckmesswert an einem Messpunkt zwischen Gebläse und Brenngaseinlass (zeitlich) verzögert weitergegeben wird (insbesondere damit bzw. sodass das Brenngasventil später öffnet als das Gebläse (bereits) genügend Luft fördert). Das Gebläse wird zum Zünden mit einer vorgebbaren Drehzahl oberhalb der Zünd-Solldrehzahl gestartet, wobei die Drehzahl dann auf die Zünd-Solldrehzahl abgesenkt wird, und zu Beginn des Absenkens der eigentliche Zündvorgang durch Auslösen von Zündfunken gestartet wird.
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Für die Nachrüstung bzw. Weiterentwicklung von vorhandenen Systemen sind zwei Maßnahmen durchzuführen. Einerseits wird das Gebläse zunächst auf eine höhere Drehzahl als die Zünd-Solldrehzahl gebracht und diese dann innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls, im Folgenden als Zündintervall bezeichnet, auf die Zünd-Solldrehzahl abgesenkt. Dadurch kann der eigentliche Zündvorgang, der im Auslösen von Zündfunken in einem Brennraum des Brenners besteht, in eine Phase mit abnehmendem Luftstrom bzw. abnehmender Luftstromzufuhr gelegt werden. Andererseits wird durch die Verzögerung der Referenzdruckmessung das Brenngasventil aber im Zündintervall so geöffnet, als sei der Luftstrom höher als er tatsächlich ist. Dies führt zu einem schnelleren und auf das Zündintervall bezogen zeitlich früheren Öffnen als nach dem Stand der Technik. Im Ergebnis entsteht innerhalb des Zündintervalls mit größerer Wahrscheinlichkeit auch unter schwierigen Betriebsbedingungen ein zündfähiges (brennstoffreiches) Gemisch als bei bekannten Zündvorgängen, wodurch die Sicherheit beim Zünden erhöht wird. Im späteren Betrieb wirken sich die beiden Maßnahmen nicht negativ aus.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzdruckmesswert mittels einer Referenzdruckleitung zwischen dem Messpunkt und dem Brenngasventil weitergeleitet. Eine Drossel, z. B. in Form einer einfachen Blende, wird in der Nähe des Messpunktes in der Referenzdruckleitung angeordnet, die in Verbindung mit dem Volumen der Referenzdruckleitung zwischen Blende und Brenngasventil eine Verzögerung des Druckverlaufs in der Referenzdruckleitung am Brenngasventil bewirkt. Das Brenngasventil wird also mit einem etwas verzögerten Druckmesswert beaufschlagt, was in Verbindung mit der zunächst erhöhten und dann absinkenden Drehzahl des Gebläses gerade den gewünschten Effekt hat. Durch die Lage und Größe der Drossel und die Länge und Dimensionierung der Referenzdruckleitung oder durch Verbindung zu einem definierten Puffervolumen kann die Verzögerung nach Bedarf eingestellt werden.
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Alternativ kann der Referenzdruckmesswert an dem Messpunkt mittels eines elektronischen Sensors gemessen werden, dessen Signal um ein vorgebbares Zeitintervall verzögert an das Brenngasventil weitergegeben wird (bzw. zu dessen Regelung eingesetzt wird). Auch bei dieser Ausführung wird das Brenngasventil ohne sonstige Änderungen am ganzen System etwas schneller und früher im Zündintervall geöffnet als nach dem Stand der Technik.
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Bevorzugt schaltet eine Zündsteuerung das Gebläse ein, bringt die Drehzahl auf einen Wert oberhalb der Zünd-Solldrehzahl und senkt diese dann innerhalb eines für den eigentlichen Zündvorgang vorgesehenen Zündintervalls wieder auf die Zünd-Solldrehzahl ab. Diese Art der Steuerung des Gebläses ist ein wichtiger Teil der Erfindung, da ein abfallender Luftstrom (und Druck) während des Zündintervalls die Wahrscheinlichkeit erhöht, ein zündfähiges Gemisch in herkömmlichen Anlagen zu erzeugen.
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Dabei erfolgt die eigentliche Zündung durch Erzeugung von Zündfunken bevorzugt innerhalb des Zündintervalls während der Absenkung der Drehzahl des Gebläses.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine Vorrichtung zur sicheren Zündung eines Brenners zur Verbrennung eines Gemisches von Luft und Brenngas vorgeschlagen. Hierbei ist ein Gebläse zur Erzeugung eines Luftstroms vorhanden, der über eine Venturidüse dem Brenner zuleitbar ist. Vor der Veturidüse ist ein Brenngaseinlass vorhanden, der über ein Brenngasventil mit Brenngas versorgt werden kann, wobei weiter ein Messpunkt für eine Referenzdruckmessung zwischen Gebläse und Brenngaseinlass vorhanden und verbunden mit einer Signal-Verzögerungseinrichtung ist. Weiter ist eine Zündsteuerung vorhanden, die eingerichtet ist, das Gebläse zum Zünden mit einer vorgebbaren Drehzahl oberhalb einer Zünd-Solldrehzahl zu starten, die Drehzahl dann auf die Zünd-Solldrehzahl abzusenken und während des Absenkens den eigentlichen Zündvorgang durch Auslösen von Zündfunken zu starten.
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Bevorzugt wird der Referenzdruckmesswert über eine Referenzdruckleitung zwischen Messpunkt und Brenngasventil übertragen bzw. weitergeleitet, wobei die Signal-Verzögerungseinrichtung ist eine Drossel in der Referenzdruckleitung in Verbindung mit dem Volumen der Referenzdruckleitung zwischen Drossel und Brenngasventil ist.
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In einer besonderen Ausführungsform ist die Drossel eine in der Referenzdruckleitung in der Nähe der Messstelle angeordnete Blende und die Referenzdruckleitung zwischen Drossel und Brenngasventil bildet ein Puffervolumen oder ist mit einem definierten Puffervolumen verbunden. Dies lässt sich auch sehr leicht in vorhandenen Systemen nachrüsten.
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Bevorzugt ist die Zündsteuerung ausgelegt, die Drehzahl des Gebläses nach Erreichen einer Drehzahl oberhalb der Zünd-Solldrehzahl definiert innerhalb eines vorgebbaren Zündintervalls auf die Zünd-Solldrehzahl abzusenken.
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Die hier vorgeschlagene Vorgehensweise kann zumindest teilweise mit spezifischen Mitteln zur Datenverarbeitung ausgeführt oder kontrolliert werden. Daher wird insbesondere eine Zündsteuerung zur Zündung eines Brenners mit einem Gebläse und Mitteln vorgeschlagen, die dazu geeignet und/oder eingerichtet sind, die Schritte des Verfahrens auszuführen. Weiter wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bewirken, dass die vorgeschlagene Vorrichtung die Verfahrensschritte ausführt. Dies erfasst auch ein computerlesbares Medium, auf dem dieses Computerprogramm gespeichert ist.
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Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der Figuren näher erläutert. Es stellen dar:
- 1: Eine Vorrichtung zur Verbesserung des Zündverhaltens,
- 2: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zündvorgangs nach dem Stand der Technik und
- 3: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zündvorgangs nach der vorliegenden Erfindung, insbesondere nach der erfindungsgemäßen Nachrüstung eines Systems nach dem Stand der Technik.
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1 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung. Ein Brenner 1 wird über eine Brennereinlassleitung 14 mit einem Gemisch aus Umgebungsluft und Brenngas versorgt. Dazu wird von einem Lufteinlass 2 über ein Gebläse 3 Luft zu einem Brennereinlass 15 gefördert. An einem Brenngaseinlass 7 wird dieser Luft über ein Brenngasventil 6 Brenngas aus einer Brenngasversorgung 5 beigemischt. Das Gemisch gelangt über eine Venturidüse 4 zum Brennereinlass 15 und von dort in eine Düsenplatte 16 oder dergleichen zur Verteilung in einem Brennraum 18 des Brenners1. Das Gemisch kann mittels einer Zündelektrode 17 zum Starten der Verbrennung gezündet werden. Eine Zündsteuerung 13 löst diesen Vorgang aus. Dazu startet sie über eine Signalleitung 19 zunächst das Gebläse 3 und bringt es auf eine Drehzahl, die höher ist als eine Zünd-Solldrehzahl. Dann senkt die Zündsteuerung 13 innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls die Drehzahl des Gebläses 3 auf Zünd-Solldrehzahl ab. Parallel wird das Brenngasventil 6 aktiviert. Dieses öffnet aber aus Sicherheitsgründen nur, wenn ein zur Zündung genügender Luftstrom in der Brennereinlassleitung 14 vorhanden ist. Dies wird durch eine Druckmessung an einem Messpunkt 8 festgestellt und an das Brenngasventil 6 weitergeleitet. Bei herkömmlichen Systemen gibt es oft eine rein mechanische Lösung für dieses Vorgehen. Dazu führt eine Referenzdruckleitung 9 vom Messpunkt 8 zum Brenngasventil 6 und öffnet dieses nach dessen Aktivierung erst, wenn ein für eine Zündung genügender Druck in der Referenzdruckleitung 9 herrscht. Bei Systemen nach dem Stand der Technik wird daher lediglich das Gebläse 3 auf Zünd-Solldrehzahl gebracht und das Brenngasventil aktiviert. Der durch das Gebläse verursachte Druckaufbau in der Brennereinlassleitung 14 öffnet dann automatisch das Brenngasventil 6. Allerdings wird dabei aus den oben genannten Gründen nicht immer zuverlässig ein zündfähiges Gemisch erreicht, insbesondere bei Verschmutzungen im Gebläse 3 oder schwierigen Umgebungsbedingungen. Erfindungsgemäß wird zur sicheren Zündung eine Kombination von Maßnahmen genutzt. Einerseits erfolgt die Zündung bei einer abnehmenden Luftströmung in der Brennereinlassleitung 14, andererseits wird aber der mit der abnehmenden Luftströmung abnehmende Druck an dem Messpunkt 7 verzögert an das Brenngasventil weitergegeben. Dazu ist in der Referenzdruckleitung 9 eine Drossel 10 vorhanden, die in Verbindung mit dem Volumen der Referenzdruckleitung 9 zwischen Drossel 10 und Brenngasventil 6 eine Verzögerung des Druckverlaufs am Brenngasventil 6 gegenüber dem in der Brennereinlassleitung 14 bewirkt. Falls das Volumen für eine gewünschte Verzögerung nicht ausreicht, kann es um ein Puffervolumen 12 erweitert werden. Das Ergebnis ist, dass das Brenngasventil beim Öffnen noch einen höheren Druck in der Referenzdruckleitung anliegen hat als dem Druck in der Brennereinlassleitung entspricht. Das wiederum führt zu einem schnelleren und vom Zeitablauf her günstigeren Öffnen des Brenngasventils 6 und einer für eine Zündung günstigeren Mischung von Brenngas und Luft. Am günstigsten ist es, wenn die Zündsteuerung mit dem eigentlichen Zündvorgang, also der Erzeugung von Zündfunken an der Zündelektrode 17, beginnt, wenn auch die Absenkung der Drehzahl des Gebläses 3 beginnt. Dies ist der Anfang eines Zündintervalls von 1 bis 10 s [Sekunden], vorzugsweise 2 bis 5 s, während dem die Drehzahl auf Zünd-Solldrehzahl abgesenkt wird. Die Nachrüstung vorhandener Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert daher nur den Einbau einer Drossel 10 (z. B. in Form einer an einem Flansch eingesetzten Blende) in die Referenzdruckleitung 9 und eine Änderung der Steuerungssoftware der Zündsteuerung 13 dahingehend, dass das Gebläse 3 nach dem Starten erst auf eine höhere Drehzahl gebracht wird, die dann später auf Zünd-Solldrehzahl abgesenkt wird. Das Aktivieren des Brenngasventils 6 und der Zündelektrode 17 erfolgt zu Beginn des Absenkens der Drehzahl für ein vorgebbares Zündintervall. Bei erfolgreicher Zündung übernimmt dann eine übliche Regeleinrichtung des Brenners die Regelung von Gebläse 3 und Brenngasventil 6.
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Für moderne Neuanlagen kann die in 1 mechanisch verwirklichte Signal-Verzögerungseinrichtung 11 aus Drossel 10 und Puffervolumen 12 auch durch einen elektronischen Drucksensor und eine elektronische Verzögerung der Weiterleitung von dessen Messsignal verwirklicht werden. Viele Kontrollfunktionen eines Brenners einschließlich der Zündsteuerung werden oft in einer zentralen Elektronik zusammengefasst, was natürlich auch bei der vorliegenden Erfindung möglich ist.
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2 veranschaulicht in einem Diagramm schematisch und qualitativ die Abläufe beim Zünden einer Verbrennung in einem Brenner 1 nach dem Stand der Technik. Im oberen Drittel des Diagramms ist der zeitliche Verlauf der Drehzahl D des Gebläses 3 dargestellt. In der Mitte ist die Änderung des Druckes ΔP gegen die Zeit t dargestellt, die sich in der Referenzdruckleitung 9 am Brenngasventil 6 ergibt. Im unteren Drittel ist der zeitliche Verlauf der Zusammensetzung des Gemisches G aus Brenngas und Luft angegeben. Wenn das Gebläse gestartet und auf Zünd-Solldrehzahl gebracht wird, steigt die Änderung des Druckes ΔP in der Referenzdruckleitung 9 steil an, erreicht ein Maximum und fällt dann wieder ab, bis sich der Druck P bei konstanter Drehzahl D nicht mehr ändert. Das Gemisch G ist zunächst reine Luft (also Null) und steigt dann nach Starten des Gebläses 3 an bis es einen konstanten Wert erreicht. Nach dem Stand der Technik wird der eigentliche Zündvorgang in einem Zündintervall Z ausgelöst, welches typischerweise beim Maximum der Druckänderung ΔP beginnt und einige Sekunden dauert. Im unteren Drittel ist durch ein schraffiertes Rechteck der Bereich im Zündintervall Z angedeutet, der als zündfähiges Gemisch ZF betrachtet wird. Man erkennt in der schematischen Darstellung, dass es vorkommen kann, dass das Gemisch G diesen Bereich ZF nicht durchläuft.
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3 veranschaulicht in einer analog der 2 angelegten Darstellung schematisch und qualitativ die Wirkung der vorliegenden Erfindung. Man erkennt im oberen Drittel, dass erfindungsgemäß die Drehzahl D des Gebläses 3 über den Zünd-Sollwert angehoben und dann im Zündintervall Z abgesenkt wird auf den Zünd-Sollwert. Außerdem erkennt man, dass die Drossel 10 in der Referenzdruckleitung 9 in Verbindung mit dem Puffervolumen 12 einen anderen Verlauf der Druckänderung ΔP bewirkt. Der Druck (und seine Änderung) steigt verzögert an und das Maximum der Änderung ist verringert und liegt etwas später. Die Druckänderung im Zündintervall Z steigt daher anfangs noch an und ist integral im Zündintervall Z höher als beim Stand der Technik. Dies hat zur Folge, wie im unteren Drittel des Diagramms veranschaulicht, dass das Gemisch im Zündintervall Z schneller mit Brenngas angereichert wird und damit den zündfähigen Bereich ZF sicherer durchläuft als ohne die Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei herkömmlichen Systemen nur durch Änderungen in der Zündsteuerung 13 (typischerweise ein Programm in einem Microprozessor) und durch eine einfach einzubauende Blende oder Drossel 10 in der Referenzdruckleitung 9, eine größere Sicherheit bei der Zündung eines Verbrennungsprozesses zu erreichen. Die Maßnahme des Absenkens der Drehzahl D des Gebläses 6 während des Zündintervalls Z kann auch in Neuanlagen entsprechend nutzbringend angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brenner
- 2
- Lufteinlass
- 3
- Gebläse
- 4
- Venturidüse
- 5
- Brenngasversorgung
- 6
- Brenngasventil
- 7
- Brenngaseinlass
- 8
- Messpunkt
- 9
- Referenzdruckleitung
- 10
- Drossel/Blende
- 11
- Signal-Verzögerungseinrichtung
- 12
- Puffervolumen
- 13
- Zündsteuerung
- 14
- Brennereinlassleitung
- 15
- Brennereinlass
- 16
- Düsenplatte
- 17
- Zündelektrode
- 18
- Brennraum
- 19
- Signalleitungen
- D
- Drehzahl
- ΔP
- Druckänderung
- G
- Gemisch
- ZF
- zündfähiges Gemisch
