DE102021103456A1

DE102021103456A1 - Gastherme sowie Verfahren zur Einstellung eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches in Abhängigkeit einer Zusammensetzung des Brennstoffes

Info

Publication number: DE102021103456A1
Application number: DE102021103456.6A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Henrich; Jens Hermann; Stephan Michael
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-08-18
Also published as: EP4043791A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gastherme (100) mit einem Mischer (101), einer zu dem Mischer (101) führenden Brennstoffleitung (102) und einer zu dem Mischer (101) führenden Oxidatorleitung (103), wobei der Mischer (101) ausgebildet ist, aus einem durch die Brennstoffleitung (102) zu dem Mischer (101) strömenden Brennstoff und einem durch die Oxidatorleitung (103) zu dem Mischer (101) strömenden Oxidator ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu erzeugen, wobei die Gastherme (100) eine Steuereinheit (9) und zumindest einen in oder an der Brennstoffleitung (102) angeordneten Sensor zur Erfassung einer thermischen Eigenschaft des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes aufweist, welcher signaltechnisch mit der Steuereinheit (9) verbunden und ausgebildet ist, die thermische Eigenschaft des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit (9) zu übermitteln, wobei die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, aus den erfassten thermischen Eigenschaften des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gastherme sowie ein zugehöriges Verfahren zur Bestimmung eines Soll-Ionisationsstroms und/oder einer Ionisationsstromkennlinie einer Gastherme.
Die Gemischregelung zur Mischung des Brennstoffes bzw. Brenngases mit dem Oxidator, meist Luft, bei elektronisch geregelten Gas-Brennwert-Thermen bzw. Gasthermen kann über das lonisationsstrom-Verfahren realisiert werden. Dabei wird ein aktueller, über eine Flamme im Brenner der Gastherme fließender Ionisationsstrom (Ist-Ionisationsstrom) gemessen und gemäß eines Sollwerts des Ionisationsstroms (Soll-Ionisationsstrom) durch die Anpassung des Mischungsverhältnisses von Brennstoff und Oxidator ausgeregelt, so dass sich der aktuelle Ionisationsstrom dem Sollwert annähert bzw. diese einander entsprechen.
In der Regel ist der Sollwert des Ionisationsstroms bei einer bestimmten Luftzahl λ des Brennstoff-Oxidator-Gemisches (Brenngas-Luft-Gemisches) von der aktuellen Feuerungsleistung und der Zusammensetzung des Brennstoffs bzw. hier des Brennstoffes abhängig. Bei der Luftzahl λ handelt es sich um eine dimensionslose Kennzahl, welche das Massenverhältnis des Oxidators (Luft) zu dem Brennstoff (Brenngas) relativ zum jeweils stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen theoretisch vollständigen Verbrennungsprozess angibt. Als Feuerungsleistung wird der Wärmeinhalt bzw. die thermische Leistung des Brennstoffs bzw. hier des Brenngases verstanden, welcher dem Brenner der Gastherme im Dauerbetrieb je Zeiteinheit zugeführt wird.
Bei den meisten im Stand der Technik bekannten Systemen wird dieser Sollwert des Ionisationsstroms in einer Kennlinie (Ionisationsstromkennlinie) oder als Funktion von sonstigen Parametern der Gastherme, wie Drehzahl oder Leistung auf einer Steuereinheit gespeichert.
Abhängig von der aktuellen Feuerungsleistung (z.B. repräsentiert durch eine Drehzahl oder eine andere leistungsäquivalente Größe) wird der passende Sollwert des Ionisationsstroms aus der Kennlinie oder Funktion ermittelt.
Zur Berücksichtigung der Zusammensetzung des Brennstoffes ist beim Stand der Technik meist vorgesehen, dass bei der (erstmaligen) Inbetriebsetzung des Gerätes eine zu dem Brenngas bzw. Brennstoff gehörende Gasfamilie als Repräsentant für die Zusammensetzung des Brennstoffs bzw. Brenngases ausgewählt wird. Die Kennlinie bzw. Funktion dieser einmalig ausgewählten Zusammensetzung des Brenngases wird anschließend und in der Regel fortwährend zur Bestimmung des Sollwertes des Ionisationsstromes und der darauf basierenden Regelung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches verwendet.
Meist kann nur durch einen manuellen Eingriff von Fachpersonal eine veränderte Kennlinie oder Funktion ausgewählt werden, um auf eine Änderung der Zusammensetzung des Brenngases zu reagieren.
Kommt es zu Änderungen in der Zusammensetzung des Brenngases, ohne dass die Kennlinie oder Funktion angepasst wird, führt dies zu einer Abweichung des ausgeregelten Brennstoff-Oxidator-Gemisches.
Im Stand der Technik ist zudem bekannt, dass Effekte wie Verschleiß oder Alterung der Gastherme bzw. ihrer Komponenten die Amplitude und Form der Kennlinie bzw. Funktion im Laufe der Zeit ändern können. Durch eine periodische Kalibrierung des Systems kann diese Änderung erfasst und der Effekt auf der gespeicherten Kennlinie bzw. Funktion ausgeglichen werden.
Die Kalibrierung erfolgt durch ein Anfetten des Brennstoff-Oxidator-Gemisches bis über den Punkt stöchiometrischer Mischung des Gemisches, da an diesem Punkt der maximale Ionisationsstrom gemessen werden kann. Dieser Messwert wird mit einem Referenzwert (hier lonisationsstromreferenzwert) verrechnet, um den Sollwert des Ionisationsstroms für die gewünschte überstöchiometrischen Luftzahl λ zu erhalten.
Der Referenzwert bzw. lonisationsstromreferenzwert wird bei den meisten bekannten Systemen durch die Wahl der Gasfamilie, also der Gasart bzw. der Zusammensetzung des als Brennstoff verwendeten Gases, bei der erstmaligen Inbetriebsetzung festgelegt. Dieser Referenzwert ist jedoch ebenfalls abhängig von der Brennstoffzusammensetzung. Kommt es zu einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung, ohne dass der Referenzwert an die neue Zusammensetzung angepasst wird, führt diese Kalibrierung zu einer Fehlbestimmung des lonisationsstromsollwertes und somit zu einer fehlerhaften Regelung des Gemisches.
Ein Verfahren zur Kalibrierung einer Gastherme bzw. der Verbrennung im Brenner einer Gastherme ist beispielsweise aus der Veröffentlichung DE 19 539 568 C1 bekannt. Ferner ist eine Leistungs- bzw. von der Luftzahl λ abhängige Kennlinie des Ionisationsstroms durch die DE 19 831 648 A1 offenbart.
In Zukunft wird eine Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffes beispielsweise durch die Beimischung von überschüssigem Wasserstoff in das die Gastherme mit Brennstoff bzw. Brenngas versorgende Gasnetz immer häufiger, so dass es entsprechend häufig zu den beschriebenen Problemen kommt bzw. kommen kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorbesagten Nachteile zu überwinden und eine Gastherme sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine automatische Detektion und Anpassung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches bei einer geänderten Zusammensetzung des Brennstoffes möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Gastherme mit einem Mischer, einer zu dem Mischer führenden Brennstoffleitung und einer zu dem Mischer führenden Oxidatorleitung vorgeschlagen. Der Mischer ist ausgebildet, aus einem durch die Brennstoffleitung zu dem Mischer strömenden Brennstoff und einem durch die Oxidatorleitung zu dem Mischer strömenden Oxidator ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu erzeugen. Bei dem Oxidator handelt es sich vorzugsweise um Luft und bei dem Brennstoff um ein Brenngas, welches zumindest anteilig Wasserstoff aufweisen kann, so dass durch den Mischer ein Brenngas-Luft-Gemisch als Brennstoff-Oxidator-Gemisch erzeugt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gastherme eine Steuereinheit und zumindest einen in oder an der Brennstoffleitung angeordneten Sensor zur Erfassung einer thermischen Eigenschaft des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes aufweist. Der zumindest eine Sensor ist signaltechnisch mit der Steuereinheit verbunden und ausgebildet, die thermische Eigenschaft des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit zu übermitteln. Die Zusammensetzung des Brennstoffes bzw. Brenngases bestimmen die thermischen Eigenschaften des Brennstoffes, so dass aus den erfassten thermischen Eigenschaften ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des Brennstoffes möglich ist. Entsprechend wird unter Zusammensetzung des Brennstoffes verstanden, dass dieser zumindest eine Komponente, jedoch meist mehrere Komponenten aufweist, aus welchen sich der Brennstoff anteilig zusammensetzt. Beispielsweise kann ein Brenngas einen Anteil Erdgas und einen Anteil Wasserstoff aufweisen. Darauf basierend ist die Steuereinheit ausgebildet, aus den erfassten thermischen Eigenschaften des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.
Unter Zusammensetzung wird hierbei vorzugsweise der Anteil verschiedener Gase in Vol.-% des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes verstanden.
Als durch den zumindest einen Sensor erfasste thermische Eigenschaft kann beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, die Temperaturleitfähigkeit, die Dichte oder die Schallgeschwindigkeit in dem Brennstoff bzw. des Brennstoffs erfasst werden. Sind, wie später erwähnt, mehrere Sensoren zur Erfassung der thermischen Eigenschaften vorgesehen, können diese verschiedene thermische Eigenschaften erfassen, so dass beispielsweise ein erster Sensor die Dichte und ein zweiter Sensor die Schallgeschwindigkeit erfassen kann, wodurch sich bei der Bestimmung der Zusammensetzung durch verschiedene Ausgangsgrößen und Berechnungsmethoden eine größere Zuverlässigkeit der daraus bestimmten Zusammensetzung ergibt.
Die Grundidee der Erfindung ist es also, eine Gastherme mit zumindest einem Sensor bzw. einer Sensorbaugruppe vorzusehen, durch welche(n) eine oder mehrere Messgrößen (thermische Eigenschaften) erfasst werden können, die repräsentativ für die Zusammensetzung des aktuellen Brennstoffs sind. Diese Messgrößen werden an die Steuereinheit weitergeleitet und dort die Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmend interpretiert. Durch den Abgleich der Messgrößen mit beispielsweise labortechnisch ermittelten Kennfeldern oder Stoffdatensimulationen definierter bzw. bekannter Zusammensetzungen, die auf der Steuereinheit ausgeführt werden können, wird die Gaszusammensetzung bzw. die Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmt.
In Abhängigkeit der so bestimmten Zusammensetzung des Brennstoffes kann der für diese Zusammensetzung passende Referenzwert des Ionisationsstroms bzw. die passende Ionisationsstromkennlinie oder Funktion aus zuvor auf dem Steuergerät für diese Gaszusammensetzung abgelegten Daten ausgewählt werden. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Gastherme vor, dass das Steuergerät ausgebildet ist, einen Soll-Ionisationsstrom und/oder eine Ionisationsstromkennlinie für einen über eine Flamme in einem Brenner der Gastherme (100) fließenden Ionisationsstrom in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen. Hierzu können in einem einfachen Fall Referenzwerte des Ionisationsstroms bzw. Soll-Ionisationsströme und Ionisationsstromkennlinien für verschiedene Zusammensetzungen des Brennstoffes auf dem Steuergerät hinterlegt sein. Alternativ kann auf dem Steuergerät eine Formel oder Simulation zur Bestimmung des Soll-Ionisationsstroms bzw. der Ionisationsstromkennlinie hinterlegt sein, welche die Zusammensetzung des Brennstoffes als Variable berücksichtigt.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass bei der Erkennung einer Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffes bzw. Gaszusammensetzung, die Gastherme bzw. das System automatisch kalibriert wird, also die Regelung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches auf die neue Zusammensetzung des Brennstoffes eingestellt wird. Hierfür kann das Steuergerät ausgebildet sein, eine Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffes anhand der von dem zumindest einen Sensor erfassten und übermittelten thermischen Eigenschaften zu erkennen. Dabei kann durch die Kalibrierung insbesondere auch einen Verschleiß bzw. eine Alterung der Gastherme und beispielsweise einer als Vorrichtung zur Erfassung des über die Flamme fließenden Ist-Ionisationsstroms dienenden Ionisationsstromelektrode berücksichtigt werden.
Durch die Anpassung der Ionisationsstromkennlinie bzw. des Soll-Ionisationswertes und des Ionisationsreferenzwertes auf die aktuelle Gaszusammensetzung, kann ein optimales Brennstoff-Oxidator-Gemisch unabhängig von einer Schwankung der Zusammensetzung des Brennstoffes bzw. der Gasart eingeregelt werden. Zudem kann eine Kalibrierung des Ionisationsstroms gezielt dann ausgeführt werden, wenn eine Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffes detektiert wird.
Eine vorteilhafte Variante der Gastherme sieht zudem vor, dass diese ferner einen in oder an der Brennstoffleitung angeordneten Temperatursensor umfasst, der entsprechend insbesondere zur Erfassung der Temperatur des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes vorgesehen ist. Der Temperatursensor ist signaltechnisch mit der Steuereinheit verbunden und ausgebildet, eine Temperatur des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit zu übermitteln. Weiter ist die Steuereinheit ausgebildet, aus den erfassten thermischen Eigenschaften und der erfassten Temperatur des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen. Wie zuvor erwähnt, sind die thermischen Eigenschaften temperaturabhängig. Daher gibt es zwei Möglichkeiten, wie mittels der thermischen Eigenschaften die Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmt werden kann. Entweder ist die Temperatur bereits bekannt, beispielsweise, weil der Brennstoff eine konstante unveränderliche und vorbekannte Temperatur hat, oder die Temperatur wird mittels des Temperatursensors ermittelt, so dass die ermittelte Temperatur bei der Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes einfließen kann.
Zusätzlich kann bei einer Variante ein Drucksensor zur Erfassung des Drucks des Brennstoffes in der Brennstoffleitung vorgesehen sein.
Zur Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes in bzw. durch die Steuereinheit können in dieser temperaturabhängige Kennfelder hinterlegt bzw. gespeichert sein, aus welchen sich durch die thermischen Eigenschaften für eine bekannte Temperatur des Brennstoffes die Zusammensetzung des Brennstoffes ermittelt lässt. Entsprechend ist die Steuereinheit ausgebildet, aus einem Abgleich der erfassten thermischen Eigenschaften des Brennstoffes mit den Kennfeldern die Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen. Beispielsweise kann hierzu eine Vielzahl von Kennfeldern hinterlegt sein, welche die thermischen Eigenschaften für unterschiedliche Anteile von Wasserstoff in Erdgas bei einer oder verschiedenen Temperaturen angeben.
Alternativ oder zusätzlich kann in der Steuereinheit eine mathematische Formel zur Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes hinterlegt sein, welche die erfasste thermische Eigenschaft als Variable berücksichtigt. Hierbei ist die Steuereinheit ausgebildet, die Zusammensetzung des Brennstoffes durch die mathematische Formel zu bestimmen.
Ein Kennfeld oder eine mathematische Funktion zur Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes kann als Umgebungsbedingungen neben der Temperatur auch den Druck des Brennstoffes berücksichtigen.
In einem stark vereinfachten Beispiel wird also durch den Sensor eine thermische Eigenschaft X = 10 bei einer bekannten Temperatur erfasst und an die Steuereinheit übermittelt. In der Steuereinheit ist beispielsweise eine Tabelle als Kennfeld für die bekannte Temperatur hinterlegt, in welcher verschiedene Werte der thermischen Eigenschaft mit jeweils zugehöriger Zusammensetzung des Brennstoffs gespeichert sind. Für den beispielhaften Wert X = 10 kann dann der Tabelle eine Zusammensetzung Y entnommen werden. Durch die im Weiteren erläuterte Verwendung zusätzlicher Sensoren können weitere thermische Eigenschaften oder Umgebungsbedingungen, wie die Temperatur, bei der Bestimmung der Zusammensetzung Y berücksichtigt werden, so dass das Kennfeld auch mehrdimensional sein kann und/oder das Kennfeld aus einer Vielzahl von Kennfeldern abhängig von den ermittelten Umgebungsbedingungen ausgewählt werden kann.
Darüber hinaus, kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass in der Steuereinheit eine Simulation zur Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes hinterlegt ist, welche die erfasste thermische Eigenschaft als Variable berücksichtigt, wobei hierbei die Steuereinheit ausgebildet ist, aus der Simulation unter Verwendung der thermischen Eigenschaften die Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen. Bei der Simulation kann es sich insbesondere um eine Stoffdatensimulation handeln, durch welche die thermischen Eigenschaften verschiedener Zusammensetzungen simulierbar und durch einen Vergleich mit den ermittelten thermischen Eigenschaften die Zusammensetzung des Brennstoffs bestimmbar ist.
Für die Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes wird beispielsweise eine thermische Eigenschaft zusammen mit einer Brennstoff- bzw. Gastemperatur gemessen. Der zur thermischen Eigenschaft gehörende Messwert wird von der temperaturabhängigen und anhand der gemessenen Temperatur ausgewählten Kennlinie subtrahiert, welche für eine jeweilige Zusammensetzung des Brennstoffes typisch ist und welche auch als Stoffwert-Kennlinie bezeichnet werden kann. Die Stoffwert-Kennlinie bzw. eine Vielzahl von Kennlinien kann in einem Kennfeld hinterlegt sein, welches anhand der gemessenen Temperatur aus einer Vielzahl von auf der Steuereinheit hinterlegten Kennfeldern ausgewählt werden kann. Alternativ kann die Stoffwert-Kennlinie bzw. das Kennfeld auch einem Simulationsergebnis der Simulation entsprechen, durch welche verschiedene Brennstoff-Zusammensetzungen simuliert werden können. Dabei wird die gemessene Temperatur als Temperatur für die Stoffdatensimulation bzw. für die Auswahl des korrekten Kennfeldes herangezogen. Es ergibt sich für jede simulierte bzw. als Kennlinie abgespeicherte Brennstoff-Zusammensetzung gegenüber der gemessenen thermischen Eigenschaft ein Residuum. Die Zusammensetzung, deren Kennlinie gegenüber der erfassten thermischen Eigenschaft ein minimales Residuum aufweist, entspricht somit der wahrscheinlichen bzw. tatsächlichen Zusammensetzung des Brennstoffes.
Vorzugsweise ist der Mischer ausgebildet, ein Rückströmen des Oxidators und/oder des Brennstoff-Oxidator-Gemisches in die Brennstoffleitung zu verhindern, so dass die Brennstoffleitung ausschließlich von Brennstoff durchströmt bzw. durchströmbar ist und bei der Bestimmung der thermischen Eigenschaften somit die thermischen Eigenschaften des reinen Brennstoffes bestimmt werden können. Hierfür können entsprechende Ventile oder Rückschlagventile verwendet werden, wobei ein Rückströmen auch beispielsweise durch einen entsprechenden Aufbau des Mischers realisiert werden kann. Zum Einspritzen bzw. Einleiten des Brennstoffes in den Oxidator kann beispielsweise eine die Brennstoffleitung zu der Oxidatorleitung hin abschließende Venturi-Düse vorgesehen sein, durch welche der Brennstoff in einen Mischbereich des Mischers strömen, der Oxidator oder das Brennstoff-Oxidator-Gemisch aber nicht in die Brennstoffleitung zurückströmen kann, so dass zumindest bei einer fortdauernden Brennstoffzufuhr die Brennstoffleitung nur von Brennstoff durchströmt wird.
Zur Einstellung bzw. Regelung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung entlang der Brennstoffleitung ein Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes durch die Brennstoffleitung angeordnet, welches entsprechend auch als Brennstoff-Stellglied bezeichnet werden kann und beispielsweise als Ventil, Proportionalventil oder Gebläse ausgebildet ist. Hierbei ist die Steuereinheit ausgebildet, das Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes anzusteuern, so dass ein Mischungsverhältnis des Brennstoffes mit dem Oxidator (bzw. das Mischungsverhältnis des Brennstoff-Oxidator-Gemisches) im Mischer in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes einstellbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann entlang der Oxidatorleitung ein Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators durch die Oxidatorleitung angeordnet sein, welches entsprechend auch als Oxidator-Stellglied bezeichnet werden kann und beispielsweise ebenfalls als Ventil, Proportionalventil oder Gebläse ausgebildet ist. Die Steuereinheit ist entsprechend ausgebildet, das Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes anzusteuern, so dass ein Mischungsverhältnis des Brennstoffes mit dem Oxidator (bzw. das Mischungsverhältnis des Brennstoff-Oxidator-Gemisches) im Mischer in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes einstellbar ist.
Sowohl bei der Ansteuerung des Stellgliedes zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes als auch bei der Ansteuerung des Stellgliedes zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators, kann jeweils abhängig von der Zusammensetzung des Brennstoffes ein für die Regelung des Gemisches relevanter Wert, wie beispielsweise der Soll-Ionisationsstrom berechnet bzw. bestimmt werden, so dass die jeweiligen Stellglieder in Abhängigkeit des Verhältnisses des Soll-Ionisationsstrom vom Ist-Ionisationsstrom angesteuert werden können, so dass sich der Ist-Ionisationsstrom dem Soll-Ionisationsstrom annähert bzw. diesem durch die Ansteuerung entspricht.
Soll sich die Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes auf mehrere Messwerte stützen, können mehrere Sensoren zur Erfassung thermischer Eigenschaften des Brennstoffs vorgesehen sein, welche gleiche oder unterschiedliche thermische Eigenschaften erfassen können. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Variante vor, dass die Gastherme mehrere in oder an der Brennstoffleitung angeordnete Sensoren zur Erfassung thermischer Eigenschaften des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes aufweist. Die Sensoren sind jeweils signaltechnisch mit der Steuereinheit verbunden und ausgebildet, unterschiedliche oder gleiche thermische Eigenschaften des die Brennstoffleitung durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit zu übermitteln.
Sind mehrere Sensoren vorgesehen, sind die Sensoren zur Erfassung thermischer Eigenschaften vorzugsweise separat voneinander in oder an der Brennstoffleitung oder in eine Sensorbaugruppe integriert in oder an der Brennstoffleitung vorgesehen. Sind mehrere Sensoren in einer Sensoreinheit bzw. einer Sensorbaugruppe vorgesehen, kann auch der Temperatursensor in die Sensorbaugruppe integriert sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Soll-Ionisationsstroms und/oder einer Ionisationsstromkennlinie einer Gastherme, deren Steuereinheit ausgebildet ist, einen Soll-Ionisationsstrom und/oder eine Ionisationsstromkennlinie für einen über eine Flamme in einem Brenner der Gastherme fließenden Ionisationsstrom in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen. Der zumindest eine Sensor erfasst eine thermische Eigenschaft des Brennstoffes und übermittelt diese an die Steuereinheit, welche dann aus der thermischen Eigenschaft des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmt. Weiter ist vorgesehen, dass die Steuereinheit mit der Zusammensetzung des Brennstoffes einen Soll-Ionisationsstrom und/oder eine Ionisationsstromkennlinie bestimmt.
Hierbei ist eine Variante von Vorteil, bei welcher die Gastherme ein Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes, insbesondere gemäß dem oben genannten Brennstoff-Stellglied aufweist, wobei die Steuereinheit das (Brennstoff-) Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes ansteuert und insbesondere so ansteuert, dass ein gewünschtes Mischungsverhältnis des Brennstoffes und des Oxidators erreicht bzw. der Ist-Ionisationsstrom dem Soll-Ionisationsstrom angenähert wird.
Ebenso von Vorteil ist eine zusätzlich oder alternativ realisierbare Verfahrensvariante, bei welcher die Gastherme ein Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators, insbesondere gemäß dem oben genannten Oxidator-Stellglied aufweist, wobei die Steuereinheit das (Oxidator-) Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes ansteuert und insbesondere so ansteuert, dass ein gewünschtes Mischungsverhältnis des Brennstoffes und des Oxidators erreicht bzw. der Ist-Ionisationsstrom dem Soll-Ionisationsstrom angenähert wird.
Entsprechend können die beiden Stellglieder (Brennstoff- und Oxidator-Stellglied) auch zusammenwirkend durch die Steuereinheit angesteuert werden, um das gewünschte Mischungsverhältnis zu erreichen.
Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass die Steuereinheit mit der Zusammensetzung des Brennstoffes und einer vorzugsweise vorbestimmten oder gewünschten Luftzahl λ des Brennstoff-Oxidator-Gemisches, welche sich auch aus der Zusammensetzung des Brennstoffes ergeben kann, den Soll-Ionisationsstrom und/oder die Ionisationsstromkennlinie bestimmt.
Das Verfahren kann zudem ferner dahingehend weitergebildet sein, dass die Gastherme eine Vorrichtung zur Erfassung eines über die Flamme in dem Brenner der Gastherme fließenden Ist-Ionisationsstroms aufweist, wobei die Steuereinheit ein Stellglied, beispielsweise das oben genannte Brennstoff-Stellglied und/oder das oben genannte Oxidator-Stellglied, zur Einstellung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches ansteuert, so dass sich der Ist-Ionisationsstrom dem insbesondere in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmten Soll-Ionisationsstrom annähert und vorzugsweise im Wesentlichen mit diesem übereinstimmt.
Vorteilhaft ist zudem, wenn der zumindest eine Sensor die thermische Eigenschaft des Brennstoffes in (zeitlich) regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich erfasst und die thermischen Eigenschaften in (zeitlich) regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich an die Steuereinheit übermittelt. Die Steuereinheit bestimmt bzw. prüft dann in (zeitlich) regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich eine Änderung der thermischen Eigenschaften und bestimmt bei einer festgestellten Änderung der thermischen Eigenschaften die Zusammensetzung des Brennstoffes. Entsprechend kann bei einer geänderten Zusammensetzung eine Anpassung bzw. Einstellung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches oder eine Kalibrierung des gesamten Systems vorgenommen werden, bei welcher wie oben beschrieben Alterung bzw. Verschleiß der Vorrichtung zur Bestimmung des Ist-Ionisationsstroms berücksichtigt werden kann.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine erste Variante einer Gastherme;
2 eine zweite Variante einer Gastherme;
3 eine dritte Variante einer Gastherme;
4 Ionisationsstromkennlinie zweier Zusammensetzungen des Brennstoffes;
5 Abhängigkeit des Referenzfaktors Io_ref von der Zusammensetzung des Brennstoffes.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
Insbesondere die 1 bis 3 zeigen jeweils im Wesentliche identische Gasthermen 100, welche sich insbesondere durch die Positionierung des zumindest einen Sensors bzw. der Sensorbaugruppe 3 zur Erfassung einer thermischen Eigenschaft des die Brennstoffleitung 102 durchströmenden Brennstoffes unterscheiden.
Entsprechend gilt für die in den 1 bis 3 offenbarten Gasthermen 100, dass diese jeweils ein Sicherheitsventil 1, ein Brennstoff- bzw. Gas-Stellglied 2, eine aus zumindest einem Sensor gebildete Sensorbaugruppe 3, eine beispielsweise als Venturi-Düse ausgebildete Brennstoff- bzw. Gas-Drosselstelle 4, ein Gebläse 5 zum Ansaugen und Ausblasen des Brennstoff-Oxidator-Gemisches, eine optionale Rückschlagklappe 6, eine Ionisationsstromelektrode 7, eine optionale Abgasklappe 8 und eine elektronische Steuereinheit 9 aufweisen.
An der Stelle 11 liegt als Medium Luft als Oxidator an und strömt durch die Oxidatorleitung 103 zu dem Mischer 101. An der einen Mischbereich des Mischers 101 bildenden Position 12 befindet sich Luft und Brennstoff in Mischung. An den Stellen 13 und 14 strömt nur Brennstoff ohne Luft durch die Brennstoffleitung 102. An der Stelle 15 liegen Brennstoff und Luft in homogener Mischung vor, bevor diese im Brenner verbrannt werden. Stromab des Brenners an Position 16 wird das verbrannte Abgas aus dem durch die Gastherme 100 gebildeten System abgeführt.
Die Sensorbaugruppe 3 besteht aus mindestens einem Sensor der in Kontakt mit dem Brennstoff steht und ausgebildet ist, thermische Eigenschaften des Brennstoffes zu bestimmen. Die Sensorbaugruppe 3 ist dabei so platziert, dass sich im Betrieb der Gastherme 100 nur Brennstoff und kein Oxidator oder Brennstoff-Oxidator-Gemisch in Kontakt mit den Sensoren bzw. den Messstellen der Sensoren der Sensorbaugruppe 3 befinden.
Mögliche Platzierungen der Sensorbaugruppe 3 sind in dem durch die gestrichelte Umrandung gekennzeichneten Gasventil 10 stromab des Sicherheitsventils 1, wie es in den 1 und 2 realisiert ist, oder eine Integration in den hier eine Venturi-Düse als Gas-Drosselstelle 4 aufweisenden Mischer 101 stromauf des Sicherheitsventils 1 und des Stellglieds 2 für den Brennstoff, wie es in 3 dargestellt ist. Hierbei kann die Sensorbaugruppe 3 auch in die Gas-Drosselstelle 4 integriert sein.
In der Sensorbaugruppe 3 befinden sich mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der thermischen Eigenschaften des Brennstoffes bzw. Brenngases sowie ein die Temperatur des Brenngases erfassender Temperatursensor. Die Messwerte der Sensoren, also die Messwerte des zumindest einen Sensors zur Erfassung der thermischen Eigenschaften und die Messwerte des Temperatursensors, werden über eine Kommunikationsschnittstelle bzw. eine dafür geeignete Verbindung an die Steuereinheit 9 weitergeleitet.
In der Steuereinheit 9 werden die Messwerte, also hier die Temperatur und die ermittelte(n) thermische(n) Eigenschaften), oder aus einer Kombination dieser Messwerte bzw. Stoffgrößen abgeleiteten Werte mit temperaturabhängigen Kennfeldern oder mit Simulationen der Zusammensetzungen des Brennstoffes abgeglichen, um die aktuelle Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.
In der Steuereinheit 9 wird in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes, also hier in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung, der zur Gaszusammensetzung passende Parametersatz für den Referenzwert Io_ref und/oder eine passende Kennlinie bzw. Funktion ausgewählt, wie sie beispielsweise in den 4 und 5 gezeigt sind. Der neue Parametersatz wird solange verwendet, bis eine erneute Änderung der Gaszusammensetzung erkannt wird.
In 4 sind beispielhaft die Ionisationsstromkennlinien von zwei sich in ihrer Zusammensetzungen unterscheidenden Brennstoffen (Gas A, Gas B) dargestellt. Der Ionisationsstrom ist in beliebigen Einheiten (arbitrary units [a.u.]) über die thermische Leistung in beliebigen Einheiten angegeben. Gezeigt sind die Kurven bei einer Luftzahl λ = 1,3. An der, durch die gestrichenen Linien hervorgehobenen Leistung ergeben sich unterschiedliche Amplituden des Ionisationsstroms bei den beiden Gasen A und B. Die thermische Leistung Qc ist an der vertikalen gestrichelten Linie für beide Gase identisch. Liegt ein Ionisationsstrom für beispielsweise Gas A oberhalb der Kennlinie für Gas A, liegt ein zu brennstoffreiches Gemisch (Luftzahl <1,3) vor. Liegt der Ionisationsstrom unterhalb der Kennlinie, liegt ein zu mageres Gemisch (Luftzahl >1,3) vor.
Entsprechend ergibt sich aus 4, dass der Ist-Ionisationsstrom (Io current [a.u.]; Io_λ=1,3,A, Io_λ=1,3,B) bei verschiedenen Gasen A, B bei gleicher Luftzahl λ voneinander abweicht, so dass eine Regelung anhand eines konstanten (Ist-) Ionisationsstroms bei unterschiedlichen Gasen bzw. Brennstoff-Zusammensetzungen bei identischer Leistung zu einer falschen Gemischregelung (zu mager oder zu fett) führt.
In 5 ist die Abhängigkeit des Referenzfaktors Io_ref der Gasarten A und B dargestellt. Bei der Kalibrierung wird der maximale Ionisationsstrom Io_max bestimmt, welcher sich jedoch bei den beiden Gasarten A und B unterscheiden kann (Io_max,A, Io_max,B), wie in 5 zu sehen. Der Sollwert des Ionisationsstroms (Soll-Ionisationsstrom) Io_{set λ=1,3}, für eine bestimmte bzw. gewünschte Luftzahl, hier λ=1,3, bei einem bestimmten Gas (A bzw. B) berechnet sich aus der Multiplikation des jeweiligen Referenzwertes Io_ref mit dem jeweiligen Maximalwert Io_max, so dass anhand der durch die Kennlinie eingehende Zusammensetzung und der durch die Kalibrierung ermittelten Werte ein Soll-Ionisationsstrom bestimmt und das Gemisch durch Ansteuerung der Stellglieder 2 eingestellt werden kann.
Beispielsweise können die in 4 und 5 gezeigten Kennlinien in der Steuereinheit 9 hinterlegt sein, so dass nach der Ermittlung der Gaszusammensetzung, also ob der Brennstoff beispielsweise Gas A oder Gas B entspricht, der Soll-Ionisationsstrom Io_{set λ=1,3} bzw. der Referenzwert Io_REF des Ionisationsstroms bestimmt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19539568 C1 [0012]
DE 19831648 A1 [0012]

Claims

Gastherme (100) mit einem Mischer (101), einer zu dem Mischer (101) führenden Brennstoffleitung (102) und einer zu dem Mischer (101) führenden Oxidatorleitung (103), wobei der Mischer (101) ausgebildet ist, aus einem durch die Brennstoffleitung (102) zu dem Mischer (101) strömenden Brennstoff und einem durch die Oxidatorleitung (103) zu dem Mischer (101) strömenden Oxidator ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastherme (100) eine Steuereinheit (9) und zumindest einen in oder an der Brennstoffleitung (102) angeordneten Sensor zur Erfassung einer thermischen Eigenschaft des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes aufweist, welcher signaltechnisch mit der Steuereinheit (9) verbunden und ausgebildet ist, die thermische Eigenschaft des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit (9) zu übermitteln, wobei die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, aus den erfassten thermischen Eigenschaften des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.
Gastherme nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, einen Soll-Ionisationsstrom und/oder eine Ionisationsstromkennlinie für einen über eine Flamme in einem Brenner der Gastherme (100) fließenden Ionisationsstrom in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.
Gastherme nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen in oder an der Brennstoffleitung (102) angeordneten Temperatursensor, welcher signaltechnisch mit der Steuereinheit (9) verbunden und ausgebildet ist, eine Temperatur des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit (9) zu übermitteln, wobei die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, aus den erfassten thermischen Eigenschaften und der erfassten Temperatur des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.
Gastherme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Steuereinheit (9) temperaturabhängige Kennfelder hinterlegt sind und die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, aus einem Abgleich der erfassten thermischen Eigenschaften des Brennstoffes mit den Kennfeldern die Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen, und/oder wobei in der Steuereinheit (9) eine mathematische Formel zur Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes hinterlegt ist, welche die erfasste thermische Eigenschaft als Variable berücksichtigt, und die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, die Zusammensetzung des Brennstoffes durch die mathematische Formel zu bestimmen, und/oder wobei in der Steuereinheit (9) eine Simulation zur Bestimmung der Zusammensetzung des Brennstoffes hinterlegt ist, welche die erfasste thermische Eigenschaft als Variable berücksichtigt, und die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, aus der Simulation unter Verwendung der thermischen Eigenschaften die Zusammensetzung des Brennstoffes zu bestimmen.
Gastherme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mischer (101) ausgebildet ist, ein Einströmen des Oxidators und/oder des Brennstoff-Oxidator-Gemisches in die Brennstoffleitung (102) zu verhindern, so dass die Brennstoffleitung (102) ausschließlich von Brennstoff durchströmt ist.
Gastherme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entlang der Brennstoffleitung (102) ein Stellglied (2) zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes durch die Brennstoffleitung (102) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, das Stellglied (2) zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes anzusteuern, so dass ein Mischungsverhältnis des Brennstoffes mit dem Oxidator im Mischer (101) in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes einstellbar ist.
Gastherme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entlang der Oxidatorleitung (103) ein Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators durch die Oxidatorleitung (103) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, das Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes anzusteuern, so dass ein Mischungsverhältnis des Brennstoffes mit dem Oxidator im Mischer (101) in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes einstellbar ist.
Gastherme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere in oder an der Brennstoffleitung (102) angeordnete Sensoren zur Erfassung thermischer Eigenschaften des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes, welche jeweils signaltechnisch mit der Steuereinheit (9) verbunden und ausgebildet sind, unterschiedliche oder gleiche thermische Eigenschaften des die Brennstoffleitung (102) durchströmenden Brennstoffes zu erfassen und an die Steuereinheit (9) zu übermitteln.
Gastherme nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sensoren zur Erfassung thermischer Eigenschaften separat voneinander in oder an der Brennstoffleitung (102) oder zusammen in eine Sensorbaugruppe (3) integriert in oder an der Brennstoffleitung (102) vorgesehen sind.
Verfahren zur Bestimmung eines Soll-Ionisationsstroms und/oder einer Ionisationsstromkennlinie einer Gastherme nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine Sensor eine thermische Eigenschaft des Brennstoffes erfasst und an die Steuereinheit (9) übermittelt, wobei die Steuereinheit (9) aus der thermischen Eigenschaft des Brennstoffes eine Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmt, wobei die Steuereinheit (9) mit der Zusammensetzung des Brennstoffes einen Soll-Ionisationsstrom und/oder eine Ionisationsstromkennlinie bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Gastherme (100) ein Stellglied (2) zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes gemäß Anspruch 6 aufweist, wobei die Steuereinheit (9) das Stellglied (2) zur Einstellung der Durchflussmenge des Brennstoffes in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Gastherme (100) ein Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators gemäß Anspruch 7 aufweist, wobei die Steuereinheit (9) das Stellglied zur Einstellung der Durchflussmenge des Oxidators in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffes ansteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Steuereinheit (9) mit der Zusammensetzung des Brennstoffes und einer vorbestimmten Luftzahl λ des Brennstoff-Oxidator-Gemisches den Soll-Ionisationsstrom und/oder die Ionisationsstromkennlinie bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Gastherme ferner eine Vorrichtung (7) zur Erfassung eines über die Flamme in dem Brenner der Gastherme fließenden Ist-Ionisationsstroms aufweist, wobei die Steuereinheit (9) ein Stellglied (2) zur Einstellung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches ansteuert, so dass sich der Ist-Ionisationsstrom dem Soll-Ionisationsstrom annähert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der zumindest eine Sensor die thermische Eigenschaft des Brennstoffes in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich erfasst, wobei der zumindest eine Sensor die thermischen Eigenschaften in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich an die Steuereinheit (9) übermittelt, wobei die Steuereinheit (9) in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich eine Änderung der thermischen Eigenschaften prüft und bei einer Änderung der thermischen Eigenschaften die Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmt.