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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 Wasserstoffflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar, strahlt weniger Wärmestrahlung 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 wasserstoffhaltigem Brenngas, das z. B. mehr als 50%, insbesondere mehr als 95% Wasserstoff enthält, betrieben werden.
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In Heizgeräten werden bisher im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren für Temperatur, Licht- oder Wärmestrahlung, 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), mit dem das Zünden und/oder das Erlöschen von Flammen in einem Verbrennungsraum erkannt werden können.
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Dazu ist es bekannt, für wasserstoffhaltige Brennstoffe, bei denen übliche lonisationsmessungen nicht genutzt werden können, mindestens einen Temperatursensor im Verbrennungsraum anzuordnen und aus dessen Messsignalen auf das Zünden von Flammen oder das Erlöschen von Flammen zu schließen. Allerdings ist es mit einem Temperatursensor nicht immer zuverlässig möglich, z. B. zwischen einem Absinken der Temperatur wegen einer Modulation des Verbrennungsprozesses (Verringerung der Leistung durch verminderte Zufuhr von Luft-Brenngas-Gemisch oder Veränderungen des Gemisches) und einem Erlöschen der Flammen zu unterscheiden. Selbst unter Berücksichtigung eines gemessenen Temperaturtransienten (zeitliche Ableitung der Temperatur) ist eine sichere Unterscheidung oft nicht möglich, da die Umgebungs- und Betriebs-Bedingungen von Heizgeräten sehr unterschiedlich sein können, so dass eine Modulation oder das Erlöschen von Flammen bei verschiedenen Bedingungen unterschiedliche und verwechselbare Temperaturtransienten hervorrufen können. Dies kann z. B. zu unnötigen Abschaltungen wegen eines nur vermeintlichen Erlöschens der Flammen führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen, und insbesondere die Schaffung eines Verfahrens und einer Anordnung zum Beobachten von Flammen in einem Verbrennungsraum (als Flammenwächter), wobei die Anordnung einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Heizgerätes und zuverlässig auch bei unterschiedlichen Umgebungs- oder Betriebsbedingungen 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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Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren bei zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brennstoff betrieben wird, wobei ein zeitlicher Verlauf der Temperatur im Verbrennungsraum mit mindestens zwei unterschiedlichen und/oder an unterschiedlichen Positionen angeordneten Temperatursensoren beobachtet und aus Unterschieden der zeitlichen Verläufe auf deren Ursache geschlossen wird.
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Es können genau zwei Temperatursensoren vorgesehen sein, es ist aber auch möglich noch mehr Temperatursensoren einzusetzen. Die Temperatursensoren können im oder am Verbrennungsraum eines Heizgerätes angeordnet sein, wobei bevorzugt ist, dass alle (unmittelbar) die Temperatur im Verbrennungsraum bestimmen können. Die Temperatursensoren können in dem Verbrennungsraum verteilt angeordnet sein, insbesondere mit einem unterschiedlichen Abstand und/oder einer unterschiedlichen Ausrichtung und/oder mit einer unterschiedlichen Abschirmung. Die Temperatursensoren selbst können sich hinsichtlich des Thermofühlers (z.B. der Abhängigkeit des temperaturabhängigen elektrischen Widerstandes, des Materials, NTC/PTC, Schwingquarz, Halbleiter, Pyrometer, Thermoelement, etc.) und/oder der Auswertung der damit erzeugten Messsignale (z.B. der Genauigkeit, der Auflösung, der Filterung, unterschiedliche A/D-Wandler, etc.) unterscheiden. Eine mittels einem (ersten/zweiten) Temperatursensor über eine vorgebbare (erste/zweite) Zeitspanne ermittelte Temperatur wird hier als (erster/zweiter) zeitlicher Verlauf der Temperatur verstanden. Unterschiede hinsichtlich der Verläufe können sich durch Werteabweichungen (zu vorgegebenen bzw. gleichen Zeitpunkten), Steigungen der Wertegraphen, Phasenverschübe der Wertgraphen, etc. ergeben.
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Es werden nicht einfach zwei Temperaturfühler eingesetzt, um die Messgenauigkeit oder die Zuverlässigkeit der Messung zu erhöhen (was bei Sicherheitseinrichtungen der Fall sein kann), sondern es werden zusätzliche Informationen verfügbar gemacht, indem unterschiedliche Temperatursensoren und/oder unterschiedliche Positionen für die Temperatursensoren gewählt werden, so dass diese auf eine (irgendwie und irgendwo verursachte) Temperaturänderung unterschiedlich reagieren. So kann durch Vergleich der zeitlichen Abfolge und/oder der Stärke der Messsignale beider Temperatursensoren eine Information über die Richtung, aus der die Temperaturänderung gekommen ist, oder anhand von Erfahrungswerten und/oder Kalibrierdaten über die Ursache der Temperaturänderung gewonnen werden. Der Schluss auf die Ursache kann insbesondere eine Entscheidung umfassen, dass eine Flamme erlöscht bzw. erlöscht ist und/oder dass Flamme gezündet wird bzw. gezündet ist.
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Insbesondere werden die Temperatursensoren so ausgelegt und/oder in solchen unterschiedlichen Abständen von den Flammen angeordnet, dass sie unterschiedlich schnell und/oder unterschiedlich stark auf Änderungen der Temperatur der Flammen reagieren.
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Bei aufeinanderfolgendem charakteristischem Ansteigen der Messwerte der Temperatur an einem ersten und einem zweiten Temperatursensor kann auf das Zünden von Flammen geschlossen werden. Solange kalte Luft oder kaltes Luft-Brenngas-Gemisch in den Verbrennungsraum strömt und nicht gezündet hat, messen beide Temperatursensoren etwa die gleiche Temperatur. Bei Zündung von Flammen einer Verbrennung, steigt die Temperatur im Verbrennungsraum schnell an, was ein näher an den Flammen angeordneter oder schnell reagierender Sensor schneller misst als ein weiter entfernter bzw. trägerer Sensor.
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Umgekehrt kann bei aufeinanderfolgendem charakteristischem Abfallen der Messwerte der Temperatur an einem ersten Temperatursensor und an einem zweiten Temperatursensor auf das Erlöschen von Flammen geschlossen werden. Auch hier ist die Reaktion der beiden Temperatursensoren unterschiedlich, und zwar so, dass zwischen einer Modulation des Heizgerätes oder einem äußeren Temperatureinfluss und dem Erlöschen der Flammen sicher unterschieden werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brennstoff betreibbar ist, wobei im Verbrennungsraum zwei unterschiedliche und/oder an unterschiedlichen Positionen angeordnete Temperatursensoren vorhanden sind, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, Unterschiede in zeitlichen Verläufen von Messsignalen der Temperatursensoren festzustellen und bestimmten Ereignissen zuzuordnen.
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Bevorzugt ist ein erster Temperatursensor näher an den Flammen angeordnet als ein zweiter Temperatursensor. So wirken sich Änderungen der Flammen zuerst auf den ersten und nach einer bestimmten Verzögerung auf den zweiten Temperaturfühler aus, was eine Unterscheidung von äußeren Einflüssen ermöglicht.
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Alternativ oder additiv ist ein erster Temperatursensor thermisch weniger träge als ein zweiter Temperatursensor. Temperaturänderungen wirken sich dann schneller und anfangs stärker auf den weniger trägen Temperatursensor aus als auf den trägeren. Auch dies erlaubt es verschiedene Ursachen für Temperaturänderungen zu unterscheiden.
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Insbesondere kann ein erster Temperatursensor eine geringere Wärmekapazität haben als ein zweiter Temperatursensor. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der erste Temperatursensor eine dünnere Hülle hat oder insgesamt weniger Material aufweist als der zweite.
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In einer anderen Ausführungsform sind ein erster Temperatursensor weiter außen und ein zweiter Temperatursensor weiter innen in einer gemeinsamen Hülle angeordnet. So reagiert der weiter außen angeordnete Sensor früher und stärker als der weiter innen angeordnete. Die Sensoren befinden sich dann an der gleichen Position, verhalten sich aber dennoch unterschiedlich. Eine gemeinsame Hülle erleichtert den Einbau und die Führung elektrischer Zuleitungen.
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Bevorzugt ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die zeitlichen Verläufe der Messsignale beider Temperatursensoren auszuwerten, um das Zünden und/oder das Erlöschen von Flammen im Verbrennungsraum zu erkennen und von anderen Ursachen für Temperaturschwankungen zu unterscheiden. Dies kann basierend auf gespeicherten Erfahrungswerten und/oder Kalibrierdaten erfolgen, mit denen unterschiedliche Verläufe zwischen den gemessenen Werten der beiden Temperatursensoren verglichen werden.
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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 von den Sensoren 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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Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
- 1: ein Heizgerät mit zwei Temperatursensoren für die Flammenbeobachtung und
- 2: zwei Temperatursensoren in einer gemeinsamen Hülle.
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1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Über eine Luftzufuhr 2 wird Luft mittels eines Gebläses 6 einem Brenner 8 zugeführt. Der Luft wird über eine Brenngaszuführung 3 und ein Brenngasventil 5 Brenngas beigemischt. Eine Auswerteeinheit 4 steuert über Steuerleitungen 11 das Brenngasventil 5 und das Gebläse 6, um dem Brenner 8 ein für eine effiziente und umweltfreundliche Verbrennung geeignetes Gemisch aus Luft und Brenngas zuzuführen. Das Gemisch gelangt vom Brenner 8 in einen Verbrennungsraum 9, wo es unter Bildung von Flammen 7 verbrennt. Bei der Verbrennung entstehende Wärme wird über Wärmetauscherflächen abgeführt und zum Heizen genutzt, und entstehende Verbrennungsgase werden über eine Abgasanlage 10 an die Umgebung abgeführt. Für einen sicheren Betrieb des Heizgerätes 1 ist es unter anderem erforderlich, das Zünden von Flammen 7 beim Start des Heizgerätes und auch das ungewollte Erlöschen der Flammen 7 schnell zu erkennen, da nicht über längere Zeiträume unverbranntes Luft-Brenngas-Gemisch ausströmen darf. Diese Funktion eines sogenannten Flammenwächters übernehmen im dargestellten Heizgerät zwei Temperatursensoren 13, 14, die unterschiedlich ausgestaltet und/oder positioniert sind. Über Messleitungen 12 sind sie mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein erster Temperatursensor 13 näher an den Flammen 7 angeordnet als ein zweiter Temperatursensor 14. Außerdem ist der zweite Temperatursensor 14 thermisch träger (mit dickerer Hülle) ausgebildet als der erste Temperatursensor 13.
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Jede der Maßnahmen bewirkt (auch ohne die jeweils andere), dass eine Temperaturänderung (bzw. ein Zünden oder Erlöschen) der Flammen 7 sich auf beide Temperatursensoren 13, 14 unterschiedlich auswirkt. Ein thermisch trägerer und/oder von einer sich ändernden Wärmequelle (z. B. Flammen 7) entfernterer Sensor folgt einer Temperaturänderung später und langsamer als ein weniger träger oder näher angeordneter. Da sich die Wärmeabfuhr von beiden Sensoren durch unterschiedliche Umgebungsbedingungen nur wenig ändert, kann dieser Effekt gegenüber dem zu beobachtenden Effekt (Wärmezufuhr durch Flammen 7) fast eliminiert werden, indem man charakteristische Unterschiede in den zeitlichen Verläufen der Messsignale den zu erkennenden Ereignissen (Zünden und Erlöschen der Flammen 7) zuordnet. So kann man auch Modulationen des Heizgerätes und andere Vorkommnisse, die zu Temperaturänderungen führen vom Zünden und Erlöschen der Flammen 7 unterscheiden und unnötige Abschaltungen vermeiden.
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2 zeigt schematisch im Längsschnitt eine besondere Ausführungsform der Erfindung. Ein Außensensor 15 und ein Innensensor 16 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 17 angeordnet, wobei das Gehäuse 17 massiv ist oder mit einer gut wärmeleitenden Gehäusefüllung 18 versehen ist. Der Außensensor 15 reagiert schneller auf äußere Temperaturänderungen als der Innensensor 16, so dass mit dieser Ausführungsform auf besonders einfache Weise und an nur einer Messposition die benötigten Messungen durchgeführt werden können. Sinkt beispielsweise die Wärmezufuhr durch Erlöschen der Flammen 7, so reagiert zuerst der Außensensor 15 und erst etwas später der Innensensor 16. Da sich andere (langsamere) Einflüsse z. B. durch Wärmeabfuhr auf beide Sensoren sehr ähnlich auswirken, können diese eliminiert werden, was bei einem einzigen Sensor nicht so einfach möglich ist. So kann insgesamt sehr genau auf die zugeführte Wärme geschlossen werden, was eine zuverlässige Erkennung des Vorhandenseins oder Erlöschens von Flammen 7 ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung an einem Heizgerät 1, das mit Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben wird, die Sicherheits-Funktion eines Flammenwächters zuverlässig zu verwirklichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Luftzufuhr
- 3
- Brenngaszufuhr
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Brenngasventil
- 6
- Gebläse
- 7
- Flammen
- 8
- Brenner
- 9
- Verbrennungsraum
- 10
- Abgasanlage
- 11
- Steuerleitungen
- 12
- Messleitungen
- 13
- Erster Temperatursensor (dünn, nah)
- 14
- Zweiter Temperatursensor (dick, entfernt)
- 15
- Außensensor
- 16
- Innensensor
- 17
- Gemeinsames Gehäuse (massiv)
- 18
- Gehäusefüllung
