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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses in einem Heizgerät, insbesondere einem mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbaren Heizgerät.
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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. Da es sich bei solchen Geräten um langlebige Güter handelt, gibt es auch Bestrebungen, solche Geräte für einen Betrieb mit verschiedenen Brenngasen vorzubereiten, wobei die Vorbereitung auf einen Betrieb mit Wasserstoff besondere Anforderungen stellt.
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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 95% 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 Funktion 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).
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Eine Verwendung von optischen Sensoren unter Benutzung von optischen Filtern ist für eine spezielle Anwendung bei Heizgeräten, die mit wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden, schon beispielsweise aus der
DE 10 2019 101 329 A1 bekannt. Auch aus der
EP 2 223 016 B1 sind optische Messsysteme in Heizgeräten bekannt, wobei sich diese beiden Dokumente hauptsächlich mit der Beobachtung der Strahlung von Flammen beschäftigen, also mit Strahlungsemissionen im Verbrennungsraum.
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Wegen der hohen Temperaturen und starken Emissionen im Bereich von Flammen sind bekannte Messverfahren und eine Auswertung solcher Messungen mit einem gewissen Aufwand verbunden, da bei sicherheitsrelevanten Funktionen möglichst keine Fehler auftreten sollten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und einer Anordnung geschaffen werden, mit denen sich eine Beobachtung eines Verbrennungsprozesses ohne Verwendung der von Flammen erzeugten Strahlung verwirklichen lässt. Diese sollen besonders für Heizgeräte, die mit Wasserstoff als Brenngas betrieben werden, aber auch für den Betrieb mit anderen Brenngasen geeignet sein.
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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 ein Ausführungsbeispiel an.
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Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, wobei durch einen von Verbrennungsprodukten durchströmbaren Messbereich infrarotes Licht von einer Lichtquelle zu einem für infrarotes Licht empfindlichen Sensor gestrahlt wird und wobei der Sensor die Intensität des einfallenden Lichtes beobachtet und aus Änderungen der Intensität auf das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung geschlossen wird.
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Dabei wird insbesondere von der Überlegung ausgegangen, dass bei einer Verbrennung Verbrennungsprodukte entstehen, deren Nachweis in einem Messbereich außerhalb einer eigentlichen Verbrennungszone genauso sichere Rückschlüsse auf das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung ermöglicht wie beispielsweise eine direkte Beobachtung der Flamme. Es ist ggf. lediglich eine Verzögerung zu berücksichtigen, die die Verbrennungsprodukte für den Weg von der Verbrennungszone bis zum Messbereich benötigen. Die Verzögerung ist umso geringer, je näher der Messbereich an der Verbrennungszone liegt. Materie in einem Messbereich, der von Licht durchstrahlt wird, schwächt dieses Licht auf unterschiedliche Weise ab, insbesondere durch die Absorption in für verschiedene Atome oder Moleküle unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Es entstehen sogenannte Absorptionslinien oder -banden, deren Wellenlängen und Intensitätsabnahmen einen Rückschluss auf die Menge und Art von in dem Messbereich vorhandener Materie erlauben. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze.
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Bevorzugt wird mindestens eine Absorptionslinie oder -bande des Wassers beobachtet. Ein Wassermolekül weist im gasförmigen Zustand insbesondere drei Arten von Übergängen auf, die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung (u. a. Licht) führen können:
- i. Rotationsübergänge, bei denen das Molekül ein Quantum Rotationsenergie gewinnt. Wasserdampf führt zu einer Absorption im fernen Infrarotbereich des Spektrums von etwa 200 cm-1 [1/Zentimeter] (50 µm [Micrometer]) bis zu längeren Wellenlängen in Richtung Mikrowellenbereich.
- ii. Schwingungsübergänge, bei denen ein Molekül ein Quantum Schwingungsenergie gewinnt. Die fundamentalen Übergänge führen zu einer Absorption im mittleren Infrarot in den Bereichen um 1650 cm-1 (µ-Bande, 6 µm) und 3500 cm-1 (sogenannte X-Bande, 2,9 µm).
- iii. Elektronische Übergänge, bei denen ein Molekül in einen angeregten elektronischen Zustand versetzt wird.
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Im Folgenden ist mit Absorptionslinie oder -bande immer ein enger Spektralbereich gemeint, der sich selektiv beobachten lässt, insbesondere mit einem nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometer (NDIR). Durch Beobachtung der Intensität von Licht, welches mit diesem Spektralbereich ein Gasvolumen (Messbereich) durchlaufen hat, kann der Anteil bestimmter Gase (insbesondere Wasser oder Aliphate) in dem Gasvolumen bestimmt werden. Da bei einer Verbrennung von Wasserstoff als Verbrennungsprodukt nur Wasser entsteht und bei Verbrennung anderer Brenngase ebenfalls Wasser gebildet wird, lässt sich das Zünden einer Flamme im Verbrennungsraum (also der Beginn eines Verbrennungsprozesses) durch das Auftreten einer oder mehrerer Absorptionslinien, die vorher nicht vorhanden oder weniger ausgeprägt waren, erkennen.
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Bevorzugt wird das Verfahren genutzt, um mindestens eine Absorptionslinie oder -bande einer aliphatischen Verbindung zu beobachten. Aliphatische Verbindungen wie Methan, Propan oder Butan kommen in herkömmlichen Brenngasen (z. B. Erdgas) vor. Für solche Brenngase gibt es zwar gute Messsysteme zur Beobachtung der Verbrennung, jedoch kann auch das hier beschriebene Verfahren dafür eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich, moderne Heizgeräte mit Messsystemen auszustatten, die nicht nur für Wasserstoff geeignet sind, sondern auch für herkömmliche Brenngase, so dass bei einer Umstellung auf einen anderen Brennstoff das Messsystem nicht ausgetauscht werden muss. Insbesondere NDIR-Spektrometer sind in der Lage, aliphatische Verbindungen zu messen und deren Konzentration in einem Gasgemisch zu bestimmen. Die Absorptionsspektren von aliphatischen Verbindungen unterscheiden sich deutlich vom oben beschriebenen Absorptionsspektrum des Wasserdampfes. Es ist daher möglich, auch z. B. bei Erdgasbetrieb ebenfalls eine Erkennung des Vorhandenseins einer Verbrennung (Flammenwächter) anhand von Absorptionen im Infrarotbereich zu realisieren. Ist ein Brenner im Erdgasbetrieb abgeschaltet und das Gasventil geschlossen, so werden keine aliphatischen Verbindungen detektiert. Wird Erdgas (oder auch Flüssiggas) verbrannt, so werden charakteristische Wasserdampfkonzentrationen gemessen, da bei der Verbrennung von Aliphaten ebenfalls Wasserdampf als Reaktionsprodukt gebildet wird. Da das Absorptionsspektrum von Kohlendioxid, dem von Wasserdampf ähnlich ist, kann allerdings nicht sicher gleichzeitig das Vorhandensein von Kohlendioxid erkannt werden. Beim Verlöschen der Verbrennung und bei geöffneten Brenngasventil würden jedoch sofort als sicheres Anzeichen für das Verlöschen Aliphate gemessen werden. Also kann das beschriebene Verfahren als Flammenwächter sowohl für herkömmliche Brenngase als auch für wasserstoffhaltige Brenngase eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor Teil eines nicht-dispersen Infrarot-Spektrometers (NDIR). Die nicht-dispersive Infrarot-Spektroskopie ist weit entwickelt und kostengünstig zur Analyse von Gasen einsetzbar, so dass ein NDIR-Spektrometer auch ein alltagstauglicher Teil einer Steuer- und Regeleinheit eines Heizgerätes sein kann.
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Für eine Kalibrierung und korrekte Messung ist es sinnvoll, schon bei (noch) ausgeschaltetem Brenner und/oder vor dessen Zünden mindestens eine Absorptionslinie zu beobachten. Da immer etwas Feuchtigkeit in Luft vorhanden ist, kann dieser Anteil z. B. bei laufendem Gebläse eines Heizgerätes aber noch ohne Brenngaszufuhr (oder jedenfalls vor einer Zündung des Verbrennungsprozesses) beobachtet und so aus folgenden Messungen eliminiert werden.
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Nach einem Start des Heizgerätes wird dann aus einem Abfall der Intensität im Bereich mindestens einer Absorptionslinie des Wassers auf ein Zünden der Verbrennung und/oder aus einer Zunahme der Intensität auf ein Verlöschen der Verbrennung geschlossen.
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Nach einem Start des Heizgerätes mit einem aliphatische Verbindungen enthaltenden Brennstoff kann auch aus einem Abfall der (ab Einschaltung einer Brenngaszufuhr beobachteten) Intensität mindestens einer Absorptionslinie einer aliphatischen Verbindung auf ein Zünden der Verbrennung und/oder aus einer Zunahme der Intensität auf ein Verlöschen der Verbrennung geschlossen werden.
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Besonders bevorzugt wird während einer Verbrennung und bei Änderungen eines Verhältnisses von Brenngas zu Luft die Intensität mindestens einer Absorptionslinie von Wasser beobachtet, wobei aus dem Verlauf der Intensität im Vergleich zu Kalibrierkurven und/oder Erfahrungswerten auf das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas geschlossen wird. Neben der einfachen Erkennung, ob eine Verbrennung vorhanden ist, kann nämlich auch eine Messung des Luftverhältnisses durchgeführt werden. Die höchste Intensitätsabnahme bei Wasserdampfabsorption ist für das Luftverhältnis 1 (Lambda = 1) zu messen. Durch Verdünnungseffekte sinkt die Intensität zu höheren Luftverhältnissen (überstöchiometrischer Betrieb) stark ab, während diese bei einem unterstöchiometrischen Betrieb weniger stark abstinkt, da der Verdünnungsgrad geringer ist. Es können z. B. in einem Labor charakteristische Kurven für die Intensitätsabnahme für den überstöchiometrischen und unterstöchiometrischen Betrieb bestimmt und in einer Steuer- und Regeleinheit hinterlegt werden. Durch Vergleich gemessener Werte mit gespeicherten Werten kann auf über- und unterstöchiometrischen Betrieb geschlossen werden. Durch entsprechende Verstellung des Brenngases/Luftgemisches kann so ein überstöchiometrischer Betrieb als gewünschte Betriebsweise erzeugt werden. Darüber hinaus kann durch weitere Auswertung von Messwerten auf die Konzentration des Wasserdampfes und somit auf das Luftverhältnis geschlossen werden, sobald sichergestellt ist, dass ein überstöchiometrischer Betrieb vorliegt. So kann eine Regelung des Luftverhältnisses ermöglicht werden.
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Bevorzugt wird Licht zumindest der beobachteten Wellenlängenbereiche der beobachteten Absorptionslinien durch den Messbereich zu dem Sensor geschickt. Um Störeinflüsse möglichst gering zu halten, kann es sinnvoll sein, nur infrarotes Licht aus wenigen Wellenlängenbereichen durch den Messbereich zu schicken bzw. vor dem Sensor auszufiltern. Dies kann durch eine entsprechende Lichtquelle und/oder durch geeignete optische Filter erreicht werden. Moderne Spektrometer können zwar auch Absorptionslinien oder -bande in einem breiten Spektralbereich gleichzeitig beobachten, jedoch wird die Auswertung schneller, einfacher und/oder kostengünstiger, wenn nur ausgewählte Spektralbereiche beobachtet werden.
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Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, wobei eine Lichtquelle für infrarotes Licht und ein Sensor für infrarotes Licht vorhanden sind, zwischen denen ein von Verbrennungsgasen durchströmbarer Messbereich liegt und wobei der Sensor mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die eingerichtet ist, die Intensität des einfallenden Lichtes zu beobachten und aus deren Verlauf auf das Vorhandensein und/oder Eigenschaften einer Verbrennung zu schließen.
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Bevorzugt ist der Sensor für infrarotes Licht im Bereich von mindestens einer Absorptionslinie oder -bande von Wasser geeignet.
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Alternativ oder additiv ist der Sensor für infrarotes Licht mindestens einer Absorptionslinie oder -bande einer aliphatischen Verbindung geeignet.
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Bevorzugt ist der Sensor Teil eines nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometers. Dieses kann zur Auswerteelektronik gehören und/oder mit dieser ein Teil einer Steuer- und Regeleinheit des Heizgerätes sein.
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Zwar gibt es Lichtquellen und Sensoren, die auch für eine Anordnung in einem Verbrennungsraum geeignet sind, jedoch sind bevorzugt der Sensor und/oder die Lichtquelle außerhalb des Verbrennungsraumes hinter einem Fenster in einem Gehäuse um den Verbrennungsraum angeordnet. So wird eine Wartung vereinfacht, und es werden keine elektrischen Durchführungen zu dem Verbrennungsraum benötigt. Auch Anordnungen mit Lichtwellenleitern sind jedoch möglich, die noch mehr Spielraum bei der Anordnung von Lichtquelle und Sensor ermöglichen.
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Besonders bevorzugt ist zwischen der Lichtquelle und dem Sensor mindestens ein wellenlängenselektives Filter angeordnet. So können Störeinflüsse reduziert werden und/oder ein bestimmter Wellenlängenbereich ohne komplexe (elektronische) spektrale Einteilung beobachtet werden.
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Bevorzugt ist die Auswerteelektronik (als Teil einer Steuer- und Regeleinheit) eingerichtet, das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung aus den Messwerten des Sensors zu erkennen und diese zu einem sicheren Start und/oder Betrieb des Heizgerätes zu verwenden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der vom Sensor gemessenen Daten und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Steuerung des Heizgerätes, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
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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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Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
- 1: ein Heizgerät mit Messsystem für die Absorption von Infrarot-Strahlung.
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1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches insbesondere mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Über eine Luftzufuhr 2 wird Luft (meist Außenluft/Umgebungsluft) von einem Gebläse 3 angesaugt und zu einem Brenner 7 gefördert. Über eine Brenngaszufuhr 4 und ein Brenngasventil 5 wird dem vom Gebläse 3 erzeugten Luftstrom Brenngas in einem Mischer 6 (z. B. einer Venturi-Düse) beigemischt. Das Gemisch wird in einem Verbrennungsraum 9, der von einem Gehäuse 10 umgeben ist, verbrannt, wobei ein Flammenbereich 8 entsteht. Entstehende Verbrennungsgase werden über eine Abgasanlage 18 abgeführt. Ein für IR-Strahlung empfindlicher optischer Sensor 11 ist zur Messung so angeordnet, dass er einen Messbereich 19 im Verbrennungsraum 9 (oder jedenfalls stromabwärts des Flammenbereiches 8) beobachten kann. Der Messbereich 19 liegt außerhalb des Flammenbereiches 8, wodurch Störeinflüsse reduziert werden können. Der Sensor 11 kann entweder selbst wellenlängensensitiv (empfindlich nur für einen bestimmten Wellenlängenbereich) ausgelegt sein, oder es kann ihm ein optisches Filter 13 vorgeschaltet sein, welches nur einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt, in dem die zu beobachtende(n) Linie(n) liegt bzw. liegen. Dieser Wellenlängenbereich liegt im Infrarotbereich insbesondere dort, wo Wasser Absorptionslinien oder -banden erzeugt. Im Allgemeinen soll ein solcher Sensor 11 schon wegen seiner Zuleitungen und seiner Temperaturempfindlichkeit nicht innerhalb eines Verbrennungsraumes 9 angeordnet werden, weshalb er bevorzugt hinter einem im Gehäuse 10 angeordneten ersten Fenster 15 liegt. Das Filter 13 kann innen am Fenster 15, außen oder bevorzugt integriert mit dem Fenster 15 angeordnet sein. Eine Auswerteelektronik 12, mit der der Sensor 11 verbunden ist, wertet die Messignale des Sensors 11 aus und schließt daraus auf das Vorhandensein von Wasser und ermittelt gegebenenfalls auch quantitativ dessen Konzentration im Messbereich 19. Dazu strahlt eine Lichtquelle 14 Licht im IR-Bereich durch den Messbereich 19, die bevorzugt auch außerhalb des Gehäuses 10 hinter einem zweiten Fenster 16 (möglicherweise auch mit einem optischen Filter 17) angeordnet ist. Von dieser Lichtquelle 14 abgestrahltes Licht (jedenfalls im beobachteten Wellenlängenbereich) erreicht den Sensor 11 durch den Messbereich 19. Irgendwo im Strahlengang kann ein optisches Filter 13, 17 angeordnet sein, um eine genügende Empfindlichkeit der Messung zu erreichen. Allerdings können mit modernen NDIR-Spektrometern auch ein größerer Infrarot-Bereich beobachtet und mehrere dort auftretende Absorptionslinien oder -banden parallel ausgewertet werden, so dass es keiner optischen Filter bedarf. Sinnvoll ist es aber, eine Temperaturkorrektur vorzunehmen, wozu ein Temperatursensor 23 im Messbereich 19 oder in dessen Nähe angeordnet ist. Da Infrarot-Strahlung (Wärmestrahlung) auch von der Temperatur in einer Messumgebung abhängt, ist eine Korrektur wichtig. Diese kann mit gespeicherten Labordaten und/oder Erfahrungswerten nach einer Korrekturkurve in der Auswerteelektronik 12 erfolgen.
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Die Auswerteelektronik 12 ist bevorzugt Teil einer Steuer-und Regeleinheit 22, die das ganze Heizgerät 1 steuert und über Steuerleitungen 21 mit wichtigen Komponenten wie dem Gebläse 3 und dem Brenngasventil 5 verbunden ist und diese regeln und bei sicherheitsrelevanten Ereignissen abschalten kann. Der infrarotempfindliche Sensor 11 und der Temperatursensor 23 (möglicherweise auch die Lichtquelle 14) sind über Messleitungen 20 mit der Auswerteelektronik 12 verbunden und bilden mit dieser zusammen ein Messsystem, welches als Flammenwächter und/oder für die Einstellung des Luft-Brenngas-Verhältnisses für verschiedene Brenngase genutzt werden kann.
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Es sei erwähnt, dass räumlich andere Anordnungen möglich sind, insbesondere, wenn Lichtwellenleiter zu einer Weiterleitung von Licht an eine gewünschte Stelle eingesetzt werden. Die bisher beschriebene Anordnung kann Absorptionslinien von Wasser oder Aliphaten messen, die durch bei einer Verbrennung entstehenden Wasserdampf oder durch nicht-verbrannte gasförmige Aliphate im Messbereich 19 entstehen.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung an einem Heizgerät die Funktionen Flammenwächter und/oder Verbrennungsregelung für verschiedene Brenngase, insbesondere auch Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Brenngase, zu verwirklichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Luftzufuhr
- 3
- Gebläse
- 4
- Brenngaszufuhr
- 5
- Brenngasventil
- 6
- Mischer
- 7
- Brenner
- 8
- Flammenbereich
- 9
- Verbrennungsraum
- 10
- Gehäuse (des Verbrennungsraumes)
- 11
- Sensor
- 12
- Auswerteelektronik (mit NDIR)
- 13
- Erstes optisches Filter
- 14
- Lichtquelle
- 15
- Erstes Fenster
- 16
- Zweites Fenster
- 17
- Zweites optisches Filter
- 18
- Abgasanlage
- 19
- Messbereich
- 20
- Messleitung
- 21
- Steuerleitungen
- 22
- Steuer- und Regeleinheit
- 23
- Temperatursensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019101329 A1 [0005]
- EP 2223016 B1 [0005]
