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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beobachtung von Flammen in einem Heizgerät, das mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser.
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Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar, strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, und es werden andere Messsysteme benötigt als bei Heizgeräten für Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffen. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders, aber nicht nur geeignet für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 97%, aus Wasserstoff besteht, betrieben werden.
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In Heizgeräten werden bisher im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren für Ionisation, Temperatur, Licht- oder Wärme-Strahlung, Druck, Volumenstrom und dergleichen eingesetzt, um die Heizgeräte zu regeln und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten. Mit bisher üblicher Sensorik lassen sich jedoch bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas manche Messungen nicht zuverlässig durchführen. Eine wichtige Aufgabe ist das Feststellen des Vorhandenseins einer stabilen Flamme (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert). Darüber hinaus kann es bei Verwendung von Brenngas mit nicht konstantem Anteil an Wasserstoff aus verschiedenen Gründen wichtig sein, den Anteil von Wasserstoff am Brenngas zu erkennen.
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Eine Verwendung von optischen Sensoren unter Benutzung von optischen Filtern ist für einige spezielle Anwendungen bei Heizgeräten, die mit wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden, schon beispielsweise aus der
DE 10 2019 101 329 A1 bekannt. Weiterhin ist es z. B. aus der
EP 2 223 016 B1 oder der
US 5 829 962 A bekannt, ultraviolette Strahlung von Flammen zu beobachten und auszuwerten. Die Prinzipien einer optischen Beobachtung von Flammen und die Auswertung solcher Beobachtungen zur Überwachung oder Regelung eines Verbrennungsprozesses sind z. B. auch aus der
DE 19 509 704 A1 bekannt.
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Allerdings wird bei steigendem Anteil von Wasserstoff in einem Brenngas die Emission von Licht im ultravioletten Spektralbereich für eine Beobachtung der Flammen immer wichtiger, und bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff emittieren die Flammen praktisch kein sichtbares Licht mehr, so dass für Überwachungszwecke bisher für ultraviolettes Licht empfindliche Sensoren eingesetzt werden, die jedoch viel teurer sind als Sensoren für sichtbares Licht oder den infraroten Spektralbereich. Dazu kommt, dass auch Beobachtungsfenster in einem Gehäuse um einen Verbrennungsraum teurer sind, wenn sie für ultraviolettes Licht durchlässig sein müssen, als Fenster beispielsweise für sichtbares Licht.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere preisgünstige Sensoren, eventuell auch Fenster, für die Beobachtung von Flammen nutzbar zu machen, die hauptsächlich Licht im ultravioletten Spektralbereich emittieren, wobei die Anordnung einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Heizgerätes sein soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu trägt ein Verfahren zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, welches mit einem Brennstoff mit mehr als 50% Wasserstoffanteil betrieben wird, bei. Dabei wandelt mindestens eine fluoreszierende Schicht auf mindestens einer von optischer Strahlung der Flammen angestrahlten Fläche optische Strahlung im ultravioletten Spektralbereich um in optische Strahlung im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich. Weiter ist mindestens ein Sensor für optische Strahlung im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich vorgesehen, welcher die Strahlung von der fluoreszierenden Schicht beobachtet. Die Erfindung nutzt den als Photolumineszenz bekannten Effekt aus, dass es Materialien gibt, deren Atome oder Moleküle von eintreffendem Licht (eintreffenden Photonen) angeregt werden und dann selbst (nach einer gewissen Lebensdauer des angeregten Zustandes) wieder Licht (Photonen) aussenden. Solche fluoreszierenden oder phosphoreszierenden (nachleuchtenden) Materialien, im hier vorliegenden Zusammenhang immer als „fluoreszierend“ gekennzeichnet, senden oft (auch) Licht einer anderen (längeren) Wellenlänge aus als der des anregenden Lichtes. Genau dieser Effekt ist wichtig für die Erfindung. Photonen des ultravioletten Spektralbereiches sind energiereicher als solche des sichtbaren Lichtes, so dass leicht Atome oder Moleküle zu Zuständen angeregt werden können, die später beim Verlassen des angeregten Zustandes wieder mindestens ein Photon aus dem sichtbaren oder infraroten Spektralbereich aussenden. Auf diese Weise wird quasi ultraviolette Strahlung in sichtbare und/oder infrarote Strahlung umgewandelt, die wiederum mit herkömmlichen Sensoren für sichtbares oder infrarotes Licht beobachtet werden kann (die ultraviolettes Licht nicht detektieren könnten). Unter Beobachten wird hier verstanden, dass ein Sensor, der von solchen Lichtstrahlen getroffen wird, diese in ein elektrisches Signal umwandelt, welches an eine Steuer- und Regelelektronik weitergeleitet und dort zum Zwecke der Überwachung einer Flamme und/oder zur Regelung eines Verbrennungsvorganges verarbeitet werden kann.
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Um eine Beobachtung von vorgebbaren Wellenlängenbereichen des von Flammen ausgesendeten Lichtes zu ermöglichen (wie dies bei der wellenlängenselektiven Beobachtung von Licht an sich bekannt ist), wird zwischen Flammen und fluoreszierender Schicht nur ein vorgebbarer Wellenlängenbereich mittels eines wellenlängenselektiven optischen Filters durchgelassen. Nur dieser Teil des ausgesandten Lichtes wird dann umgewandelt und beobachtet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, welches mit einem Brennstoff mit mehr als 50% Wasserstoffanteil betreibbar ist, vorgeschlagen, bei der eine von optischer Strahlung der Flammen erreichbare Fläche mit einer fluoreszierenden Schicht vorhanden ist, die Licht im ultravioletten Spektralbereich in Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich umwandelt, wobei mindestens ein Sensor für Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich vorhanden ist, der Licht von der fluoreszierenden Schicht beobachtet. Dabei sind viele geometrische Konstellationen von Flammen, Fläche und Sensor möglich, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Bei allen wird jedoch ultraviolettes Licht in sichtbares und/oder infrarotes Licht umgewandelt, welches mittels eines einfachen, kostengünstigen Sensors (möglicherweise hinter einem einfachen, kostengünstigen Fenster) beobachtet werden kann. Natürlich können aus Gründen der Redundanz oder zur Verbesserung der Lichtausbeute auch zwei oder mehr Sensoren in gleichartigen Anordnungen eingesetzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor außerhalb des Verbrennungsraumes hinter einem Fenster in einem Gehäuse um den Verbrennungsraum angeordnet. Dies ist eine Anordnung, bei der der Sensor nicht den hohen Temperaturen im Verbrennungsraum ausgesetzt ist.
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Bei einer bevorzugten Anwendung dieser Ausführung ist die fluoreszierende Schicht vor oder auf dem Fenster im Verbrennungsraum angeordnet und das Fenster ist für optische Strahlung im sichtbaren und/oder infraroten Bereich durchlässig. Diese Anwendung erfordert gegenüber bekannten Ausführungen für sichtbares Licht lediglich das Auf- oder Anbringen einer fluoreszierenden Schicht innenseitig im Verbrennungsraum auf oder vor dem Fenster, so dass sogar eine einfache Nach- oder Umrüstung vorhandener Anlagen leicht möglich ist. Die Schicht muss nicht lichtdurchlässig sein, aber doch so dünn, dass Licht von angeregten Zuständen auch in Richtung Sensor abgestrahlt wird.
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Alternativ kann die fluoreszierende Schicht auf der Außenseite des Fensters oder zwischen Fenster und Sensor angeordnet werden, wobei das Fenster für optische Strahlung im ultravioletten Spektralbereich durchlässig ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das fluoreszierende Material nicht widerstandsfähig gegen die Bedingungen im Verbrennungsraum ist.
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Um nur ganz bestimmte Emissionen der Flammen zu beobachten, wird bevorzugt ein wellenlängenselektives optisches Filter zwischen Flammen und fluoreszierender Schicht angeordnet, welches nur einen vorgebbaren Wellenlängenbereich im ultravioletten Spektralbereich durchlässt (oder reflektiert). So erreicht man die gleiche Wellenlängenselektivität wie bei direkter Beobachtung von ultraviolettem Licht.
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Es gibt zwei grundsätzliche Anordnungen, nämlich eine, bei der der Sensor auf eine den Flammen abgewandte Seite der fluoreszierenden Schicht gerichtet ist, und eine, bei der der Sensor auf eine den Flammen zugewandte Seite der fluoreszierenden Schicht gerichtet ist. Im ersten Fall, der z. B. dem oben beschriebenen beschichteten Fenster entspricht, kann man von einer Art Fortsetzung der Lichtstrahlung mit geänderter Wellenlänge aber ungefähr gleicher Richtung sprechen.
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Im zweiten Fall können die geometrischen Verhältnisse ganz anders gestaltet werden, insbesondere ist der Sensor dabei nicht mehr auf die Flammen gerichtet (und wird von diesen auch nicht gestört) und die Fläche kann an beliebigen, gut beobachtbaren Stellen im Verbrennungsraum angeordnet sein.
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Bevorzugt wird die Fläche mit der fluoreszierenden Schicht außerhalb der Flammen im Verbrennungsraum angeordnet, und zwar bezüglich Fläche, Abstand, Form und/oder Ausrichtung so, dass die Fläche von möglichst viel optischer Strahlung der Flamme getroffen wird und gleichzeitig der Sensor möglichst viel der von der Fläche abgestrahlten optischen Strahlung beobachten kann. Dabei muss die Fläche nicht notwendigerweise eben sein. Eine Befestigung z. B. an einem Brennerkörper oder an einem Gehäuse um den Verbrennungsraum ist möglich. Im Allgemeinen wird der Winkel, in dem Licht von den Flammen auf einen Bereich der Fläche trifft etwa symmetrisch zu dem Winkel sein, unter dem der Sensor diesen Bereich der Fläche beobachtet.
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Bevorzugt enthält die fluoreszierende Schicht Verbindungen eines Elementes mit Schwefel (ein Sulfid), insbesondere mindestens ein Metallsulfid, ganz besonders bevorzugt Bariumsulfid und/oder Zinksulfid. Diese Materialien haben die benötigten Eigenschaften und anregbaren Zustände.
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Zweckmäßig ist auch, dass die fluoreszierende Schicht (hauptsächlich) Material enthält, welches nach Bestrahlung mit Licht aus dem ultravioletten Spektralbereich nur kurz im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich nachleuchtet, nämlich 1 s [Sekunde] nach erlöschen der Flammen weniger als 10% einer bei Bestrahlung erreichten maximalen Leuchtkraft aufweist. Die Leuchtkraft des Materials erreicht bei vorhandenen Flammen (bei konstanter Leistung) schnell einen Sättigungswert, was bedeutet, dass pro Zeiteinheit gleich viele angeregte Zustände erzeugt werden wie wieder zerfallen. Während viele fluoreszierende Materialien lange nachleuchten (also sehr langlebige angeregte Zustände aufweisen und erst langsam ihren Sättigungswert erreichen) und deshalb bevorzugt für nachleuchtende Lichtschalter, Wecker, Sicherheitsleuchtstreifen und dergleichen eingesetzt werden, sind für die Erfindung Materialien gefragt, die kurzlebige angeregte Zustände haben. Dadurch soll eine Trägheit der Beobachtungen vermieden werden, was besonders für die sicherheitsrelevante Funktion als Flammenwächter von Bedeutung ist. Erlöschen die Flammen unerwartet, muss sehr schnell eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr erfolgen, was möglich ist, wenn das fluoreszierende Material nicht lange nachleuchtet.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Ein Sensor der erfindungsgemäßen Anordnung ist mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden, die von einem Computerprogramm gesteuert wird und Datenspeicher mit Kalibrierdaten und anderen Daten enthält. Diese müssen gelegentlich aktualisiert werden, wozu ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt beitragen kann.
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Verfahren, Anordnung und/oder Computerprogrammprodukt können so eingerichtet oder verwendet werden, dass damit die Verbrennung des Heizgerätes geregelt wird. Hierfür kann eine entsprechend eingerichtete Steuer- und Regeleinheit vorgesehen sein.
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Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
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Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf welche diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
- 1: einen Verbrennungsraum eines Heizgerätes mit einer ersten Ausführungsform einer Messanordnung und
- 2: einen Verbrennungsraum eines Heizgerätes mit einer zweiten Ausführungsform einer Messanordnung.
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1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches mit reinem Wasserstoff oder einem Brenngas mit mindestens 50 % Wasserstoffanteil betreibbar ist. Das Heizgerät 1 weist einen Verbrennungsraum 2 auf, der von einem Gehäuse 3 umschlossen ist. In dem Verbrennungsraum 2 ist ein Brennerkörper 7 eines Brenners 6 in üblicher Weise angeordnet, wobei der Brennerkörper 7 Öffnungen 8 aufweist, durch die ein Gemisch aus Luft und Brenngas in den Verbrennungsraum geblasen werden kann, wo es unter Bildung von Flammen 9 in einem Flammenbereich 10 verbrannt wird. Entstehende Abgase werden über eine Abgasanlage 4 abgeführt. Für den sicheren Betrieb eines Heizgerätes 1 ist es wichtig, die Flammen 9 zu beobachten, beispielsweise um die Brennstoffzufuhr schnell abschalten zu können, falls die Flammen 9 unerwartet erlöschen, oder auch um den Verbrennungsvorgang zu regeln. Dazu dient ein optischer Sensor 13, welcher durch ein Fenster 5 Licht aus dem Verbrennungsraum 2 empfangen, in elektrische Signale umwandeln und an eine Steuer- und Regeleinheit 14 weiterleiten kann. Erfindungsgemäß handelt es sich um einen (preisgünstigen) Sensor 13, der für den Empfang von Licht im sichtbaren Spektralbereich und/oder im infraroten Spektralbereich ausgelegt ist, obwohl bei Flammen 9 von Brennstoff mit mehr als 50% Wasserstoffanteil nur wenig sichtbare Strahlung entsteht. Dafür ist auf einer Fläche 11 auf oder vor der dem Verbrennungsraum 2 zugewandten Seite des Fensters 5 eine fluoreszierende Schicht 12 aufgebracht, die von ultraviolettem Licht angeregt und selbst zur Aussendung von Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich gebracht wird. Auf diese Weise kann mit einem Sensor 13 für sichtbares und/oder infrarotes Licht auch die ultraviolette Strahlung der Flammen 9 beobachtet werden. Falls nur ein bestimmter Teil des von den Flammen 9 ausgesandten Spektrums beobachtet werden soll, kann noch ein wellenlängenselektives Filter 15 zwischen Flammen 9 und fluoreszierender Schicht 12 angeordnet werden. Geometrisch betrachtet hat die erfindungsgemäße Anordnung zusätzliche Vorteile, weil die fluoreszierende Schicht 12 einen großen Empfangsbereich 17 für Licht von den Flammen 9 hat, der möglicherweise größer ist als der Bereich, den der Sensor 13 (wenn er empfindlich für ultraviolettes Licht wäre) beobachten könnte. Der Sensor 13 braucht hingegen nur einen Erfassungsbereich 16, der groß genug für die Erfassung der von der fluoreszierenden Schicht 12 in seine Richtung abgestrahlten Photonen ist. Die fluoreszierende Schicht 12 kann, muss aber nicht lichtdurchlässig sein, allerdings darf sie auch nicht so dick sein, dass auch auf ihrer von den Flammen 9 angestrahlten Seite entstehendes Licht nicht zur anderen Seite hin abgestrahlt wird.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei gleiche Teile wie in 1 auch mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 13 durch das Fenster 5 hindurch auf eine Fläche 11 im Verbrennungsraum 2 mit einer fluoreszierenden Schicht 12 (deren Dicke hier nicht kritisch ist) gerichtet. Diese Fläche 11 ist so geformt, ausgerichtet und positioniert, dass sie von ultravioletter Strahlung der Flammen 9 getroffen wird, während der Sensor 13 die von der Fläche (bzw. der darauf angebrachten fluoreszierenden Schicht 12) erzeugten Strahlen (Photonen) im sichtbaren oder infraroten Bereich empfangen kann. Falls gewünscht kann zwischen Flammen 9 und fluoreszierender Schicht 12 ein wellenlängenselektives Filter 15 angebracht werden. Auch diese Ausführungsform hat geometrische Vorteile, da die Fläche 11 so angeordnet werden kann, dass ihr Empfangsbereich 17 mehr Licht von den Flammen 9 empfängt als es der Sensor 13 könnte und gleichzeitig so, dass der Sensor 13 mit seinem Erfassungsbereich 16 die ganze Fläche 11 beobachten kann. So kann eine repräsentative Beobachtung der Flammen 9 mit für zuverlässige Messungen genügend Ausbeute an Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich durchgeführt werden, wobei allerdings berücksichtigt werden muss, dass das von der fluoreszierenden Schicht 12 abgestrahlte Licht sich auf alle Richtungen verteilt, so dass nur ein Teil den Sensor erreicht.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einfachen und robusten Sensoren für sichtbares und/oder infrarotes Licht an einem Heizgerät Flammen zu beobachten, die hauptsächlich ultraviolettes Licht abstrahlen, was insbesondere bei hohen Anteilen von Wasserstoff im Brenngas der Fall ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Verbrennungsraum
- 3
- Gehäuse
- 4
- Abgasanlage
- 5
- Fenster
- 6
- Brenner
- 7
- Brennerkörper
- 8
- Öffnungen
- 9
- Flammen
- 10
- Flammenbereich
- 11
- Fläche
- 12
- Fluoreszierende Schicht
- 13
- Sensor
- 14
- Steuer- und Regeleinheit
- 15
- Wellenlängenselektives Filter
- 16
- Erfassungsbereich des Sensors
- 17
- Empfangsbereich der fluoreszierenden Schicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019101329 A1 [0004]
- EP 2223016 B1 [0004]
- US 5829962 A [0004]
- DE 19509704 A1 [0004]
