DE102022111802A1 - Method for operating a burner device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung, bei dem Luft in einen Brennraum (1) gefördert wird, bei dem mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum (1) angeordneten Zündeinrichtung (2) Zündfunken erzeugt werden, bei dem bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt wird und bei dem im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases an der Zündeinrichtung (2) anliegende elektrische Spannungswerte gemessen werden. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas-Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden.The invention relates to a method for operating a burner device, in which air is conveyed into a combustion chamber (1), in which ignition sparks are generated with an ignition device (2) arranged in the combustion chamber (1) flooded with air, in which the Ignition spark, a fuel gas is mixed into the air and in which electrical voltage values present at the ignition device (2) are measured in the period from before the ignition spark is generated until after the fuel gas is added. According to the invention, it is provided that the voltage values measured during the said period of time and forming a voltage curve are evaluated to detect flame formation beginning with combustion of the fuel gas-air mixture containing at least 20% by volume of hydrogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for operating a burner device according to the preamble of patent claim 1.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument DE 10 2020 107 735 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird Luft in einen Brennraum gefördert. Ferner werden mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum angeordneten Zündeinrichtung Zündfunken erzeugt. Außerdem wird bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt. Schließlich werden im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases an der Zündeinrichtung anliegende elektrische Spannungswerte gemessen. Bei dieser Lösung erfolgt die Spannungsmessung allerdings nicht nur während des Vorhandenseins des Zündfunkens, sondern bereits davor, um über die sich im Laufe der Messung ergebende Spannungsänderung ermitteln zu können, dass diese einen Mindestwert, mithin der Zündfunke eine Mindestqualität aufweist. Oder nochmals in anderen Worten: Dieses Verfahren dient zur Beurteilung der Qualität des Zündfunkens.A procedure of the type mentioned at the beginning is from the document DE 10 2020 107 735 A1 known. In this process, air is pumped into a combustion chamber. Furthermore, ignition sparks are generated with an ignition device arranged in the combustion chamber flooded with air. In addition, a fuel gas is mixed into the air while the ignition spark is being generated. Finally, electrical voltage values present at the ignition device are measured in the period from before the ignition spark is generated until after the fuel gas has been added. With this solution, however, the voltage measurement is not only carried out during the presence of the ignition spark, but beforehand, in order to be able to determine from the voltage change that occurs during the measurement that this has a minimum value, and therefore that the ignition spark has a minimum quality. Or again in other words: This procedure is used to assess the quality of the ignition spark.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem (bei Bedarf zusätzlich zum vorgenannten Verfahren) eine möglichst einfache Einstellung des Brenngas-Luft-Gemisches realisierbar ist, und zwar auch bei Verwendung eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases. The invention is based on the object of improving a method of the type mentioned at the beginning. In particular, a method is to be created with which (if necessary in addition to the aforementioned method) the simplest possible adjustment of the fuel gas-air mixture can be achieved, even when using a fuel gas containing hydrogen.

Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This task is solved with a method of the type mentioned at the beginning by the features listed in the characterizing part of patent claim 1.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas-Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden.According to the invention, it is therefore provided that the voltage values measured in the said period of time and forming a voltage curve are evaluated to detect flame formation beginning with the combustion of the fuel gas-air mixture containing at least 20% by volume of hydrogen.

Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit dadurch aus, dass die Phase der Zumischung des Brenngases beim Starten der Brennereinrichtung bezüglich der dabei auftretenden elektrischen Spannung genau beobachtet wird. Dieses Verfahren dient dabei insbesondere zur Erkennung der Qualität des Brenngases und einer darauf basierenden bzw. daraus abgeleiteten Regelung der Brennereinrichtung.In other words, the method according to the invention is characterized in that the phase of admixing the fuel gas when starting the burner device is precisely observed with regard to the electrical voltage that occurs. This method serves in particular to detect the quality of the fuel gas and a control of the burner device based on or derived from it.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.Other advantageous developments of the method according to the invention result from the dependent patent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The method according to the invention, including its advantageous developments according to the dependent claims, is explained in more detail below using the graphic representation of a preferred exemplary embodiment.

Es zeigt

  • 1 schematisch die Brennereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 einen Spannungsverlauf während der Flammenbildung mit einem kleinen Wasserstoffanteil im Brenngas; und
  • 3 einen Spannungsverlauf während der Flammenbildung mit einem großen Wasserstoffanteil im Brenngas.
It shows
  • 1 schematically the burner device for carrying out the method according to the invention;
  • 2 a voltage curve during flame formation with a small hydrogen content in the fuel gas; and
  • 3 a voltage curve during flame formation with a large hydrogen content in the fuel gas.

In 1 ist schematisch eine Brennereinrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst in bekannter Weise Luft in einen Brennraum 1 gefördert, und zwar insbesondere, wie dargestellt, über die Leitung 1.1 und den Brenner 1.2. Ferner werden mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum 1 angeordneten, vorzugsweise zwei Zündelektroden 2.2 aufweisenden (insbesondere elektrischen) Zündeinrichtung 2 Zündfunken erzeugt. Weiterhin wird bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt, und zwar wieder über die Leitung 1.1 und den Brenner 1.2. Im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases werden außerdem an der Zündeinrichtung 2 anliegende elektrische Spannungswerte (in der physikalischen Einheit „Volt“) gemessen. Noch etwas genauer betrachtet, wird insbesondere die elektrische Spannung zwischen den vorgenannten Zündelektroden 2.2 gemessen. Hierzu dient das in 1 schematisch dargestellte Voltmeter 2.3.In 1 A burner device is shown schematically with which the method according to the invention can be carried out. In this method, air is first conveyed into a combustion chamber 1 in a known manner, in particular, as shown, via the line 1.1 and the burner 1.2. Furthermore, ignition sparks are generated with an ignition device 2 (in particular electrical) which is arranged in the combustion chamber 1 flooded with air and preferably has two ignition electrodes 2.2. Furthermore, while the ignition spark is being generated, a fuel gas is mixed into the air, again via line 1.1 and burner 1.2. In the period from before the ignition spark is generated until after the fuel gas has been added, electrical voltage values present at the ignition device 2 (in the physical unit “volt”) are also measured. Looking at it a little more closely, the electrical voltage in particular is measured between the aforementioned ignition electrodes 2.2. This is used in 1 voltmeter shown schematically 2.3.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas-Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Brenngas mindestens 90 Vol.-% Wasserstoff enthält.What is essential for the method according to the invention is that the voltage values measured in the said period of time and forming a voltage curve are evaluated to detect flame formation beginning with the combustion of the fuel gas-air mixture containing at least 20% by volume of hydrogen. It is particularly preferred that the fuel gas contains at least 90% by volume of hydrogen.

Besonders bevorzugt ist dabei weiterhin vorgesehen, dass zur Detektion der Flammenbildung der Spannungsverlauf an einem zwischen den zwei Elektroden 2.2 der Zündeinrichtung 2 angeordneten Kondensator 2.1 gemessen wird. Vorzugsweise wird dabei der Spannungsverlauf zwar analog erfasst, zur Auswertung aber (in einer entsprechenden Elektronikeinheit) digitalisiert.Particularly preferably, it is further provided that in order to detect the formation of flames, the voltage curve is arranged on a voltage curve arranged between the two electrodes 2.2 of the ignition device 2 Capacitor 2.1 is measured. Preferably, the voltage curve is recorded analogue, but is digitized for evaluation (in a corresponding electronic unit).

Noch etwas genauer betrachtet, ist dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass eine Änderung des Spannungsverlaufs am Kondensator 2.1 im besagten Zeitraum als Zeichen für die Flammenbildung gewertet wird. Die besagte Änderung kann dabei je nach verwendetem Zündtransformator wahlweise ein Abfallen (wie in den 2 und 3 dargestellt) oder aber auch ein Ansteigen (nicht extra dargestellt) im Spannungsverlauf sein.Looking at it a little more closely, it is particularly preferred that a change in the voltage curve on the capacitor 2.1 in the said period of time is evaluated as a sign of the formation of flames. Depending on the ignition transformer used, the change in question can optionally result in a drop (as in the 2 and 3 shown) or also an increase (not shown separately) in the voltage curve.

Dabei ist weiterhin besonders bevorzugt vorgesehen, dass ein vergleichsweise großer Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators 2.1 als Zeichen für einen vergleichsweise großen und ein vergleichsweise kleiner Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators 2.1 als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen Wasserstoffanteil im Brenngas gewertet wird. Wie ersichtlich, zeigt 2 dabei den kleinen und 3 den großen Gradienten.It is further particularly preferably provided that a comparatively large gradient on the voltage curve of the capacitor 2.1 is taken as a sign of a comparatively large and a comparatively small gradient on the voltage curve of the capacitor 2.1 is taken as a sign of a comparatively small hydrogen content in the fuel gas. As can be seen, shows 2 the small and 3 the large gradient.

Wiederum mit Verweis auf die beiden Figuren ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass ein vergleichsweise großer Unterschied (siehe 2) zwischen dem Spannungswert am Kondensator 2.1 vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen und ein vergleichsweise kleiner Unterschied (siehe 3) zwischen dem Spannungswert am Kondensator 2.1 vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise großen Wasserstoffanteil im Brenngas gewertet wird.Again with reference to the two figures, it is also preferably provided that a comparatively large difference (see 2 ) between the voltage value on capacitor 2.1 before and after flame formation as a sign of a comparatively small and a comparatively small difference (see 3 ) between the voltage value on capacitor 2.1 before and after flame formation is taken as a sign of a comparatively large hydrogen content in the fuel gas.

Nochmals mit anderen Worten ausgedrückt: Über die erfindungsgemäße Detektion ist es letztlich sogar möglich, zu erkennen, wieviel Wasserstoff im Brenngas enthalten ist, denn dieser Anteil beeinflusst - wie dargestellt - einerseits die Steilheit und andererseits das Endniveau der Verlaufskurve.Expressed again in other words: Using the detection according to the invention, it is ultimately even possible to recognize how much hydrogen is contained in the fuel gas, because this proportion influences - as shown - on the one hand the steepness and on the other hand the final level of the curve.

Bezüglich der vorgenannten Einstellung des Brenngas-Luft-Gemisches ist dabei weiterhin, wie an sich bekannt, bevorzugt vorgesehen, dass im besagten Zeitraum ein Volumenstrom an zugeführtem Brenngas von null beginnend kontinuierlich gesteigert wird. Besonders bevorzugt ist darüber hinaus erfindungsgemäß aber auch noch vorgesehen, dass der Volumenstrom an zugeführtem Brenngas ab Feststellung einer Flammenbildung konstant gehalten wird, d. h. das Verhältnis aus Brenngas und Luft wird idealerweise genau bei dem Verhältnis fixiert, bei dem die Flamme zustande gekommen ist (optimale Verbrennung).With regard to the aforementioned setting of the fuel gas-air mixture, it is also, as is known per se, preferably provided that a volume flow of supplied fuel gas is continuously increased starting from zero during the said period of time. In addition, it is particularly preferred according to the invention that the volume flow of fuel gas supplied is kept constant from the moment flame formation is detected, i.e. H. The ratio of fuel gas and air is ideally fixed at exactly the ratio at which the flame was created (optimal combustion).

Nochmals in anderen Worten ausgedrückt, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit insbesondere wie folgt aus:

  • Der Brennerstart erfolgt, indem dem Verbrennungssystem ein konstanter Luftvolumenstrom zugeführt wird. Anschließend wird die Zündung eingeschaltet, wodurch sich Hochspannungsentladungen zwischen den Zündelektroden 2.1 ausbilden. Innerhalb weniger Millisekunden wird durch das entstehende Plasma der ionisierten Luft die maximale Durchbruchspannung erreicht. Durch den Zündfunken wirkt eine Spannung auf dem Kondensator 2.1, welche als Messsignal dient und im (nicht extra dargestellten) Feuerungsautomaten digitalisiert wird. Der Kondensator 2.1 hat beim Einschalten der Zündung ein kondensatortypisches Ladeverhalten. Zur Unterdrückung elektromagnetischer Effekte wird das digitalisierte Signal softwareseitig gefiltert. Sofern eine „sichere“ Zündung festgestellt worden ist (vergleiche wiederum das Dokument DE 10 2020 107 735 A1 ), wird das Gassicherheitsventil geöffnet und das Gasregelventil gemäß Kennlinie (Gasrampe) verfahren. Nachdem das Brenngas-Luft-Gemisch den Brennraum bzw. die Elektroden erreicht hat, setzen unverzüglich thermochemische, vorwiegend exotherme Reaktionen ein, die zu einer selbst erhaltenden Flammenausbreitung führen. Die Exothermie der Flamme selbst führt zu einer Veränderung der Leitfähigkeit an den Zündelektroden 2.1, wodurch die Durchbruchsspannung sinkt. Dadurch kommt es zum Entladen des Kondensators, und zwar trotz eingeschalteter Zündung. Das digitalisierte Signal erfährt entsprechend der gewählten Filtereinstellungen ebenfalls eine Veränderung. Mittels schwellwert-(niveaubasierter) oder gradientenbasierter Auswertung des Signals können, wie oben genauer beschrieben, verschiedene Vorgänge des Startablaufs wie Flammenerkennung oder Stopp der Gasrampe gesteuert werden. Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Brenngas-Luftgemisches können beispielsweise durch Bewertung von Zündzeit und dem Gradienten des Signals gezogen werden.
Expressed again in other words, the method according to the invention is characterized in particular as follows:
  • The burner is started by supplying a constant air volume flow to the combustion system. The ignition is then switched on, causing high-voltage discharges to form between the ignition electrodes 2.1. Within a few milliseconds, the resulting plasma of ionized air reaches the maximum breakdown voltage. The ignition spark creates a voltage on the capacitor 2.1, which serves as a measurement signal and is digitized in the automatic burner (not shown). The capacitor 2.1 has a capacitor-typical charging behavior when the ignition is switched on. To suppress electromagnetic effects, the digitized signal is filtered in software. If a “safe” ignition has been determined (again compare the document DE 10 2020 107 735 A1 ), the gas safety valve is opened and the gas control valve is moved according to the characteristic curve (gas ramp). After the fuel gas-air mixture has reached the combustion chamber or the electrodes, thermochemical, predominantly exothermic reactions begin immediately, which lead to self-sustaining flame spread. The exothermicity of the flame itself leads to a change in the conductivity of the ignition electrodes 2.1, which reduces the breakdown voltage. This causes the capacitor to discharge, even though the ignition is switched on. The digitized signal also undergoes a change depending on the selected filter settings. As described in more detail above, various processes in the starting process such as flame detection or stopping the gas ramp can be controlled using threshold value (level-based) or gradient-based evaluation of the signal. Conclusions about the composition of the fuel gas-air mixture can be drawn, for example, by evaluating the ignition time and the gradient of the signal.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Brennraumcombustion chamber
1.11.1
LeitungLine
1.21.2
Brennerburner
22
ZündeinrichtungIgnition device
2.12.1
Kondensatorcapacitor
2.22.2
Zündelektrodeignition electrode
2.32.3
VoltmeterVoltmeter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102020107735 A1 [0002, 0018]DE 102020107735 A1 [0002, 0018]

Claims (9)

Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung, bei dem Luft in einen Brennraum (1) gefördert wird, bei dem mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum (1) angeordneten Zündeinrichtung (2) Zündfunken erzeugt werden, bei dem bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt wird und bei dem im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases an der Zündeinrichtung (2) anliegende elektrische Spannungswerte gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas-Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden.Method for operating a burner device, in which air is conveyed into a combustion chamber (1), in which ignition sparks are generated with an ignition device (2) arranged in the combustion chamber (1) flooded with air, in which a fuel gas is generated while the ignition sparks are being generated Air is mixed in and in which electrical voltage values present at the ignition device (2) are measured in the period from before the ignition spark is generated until after the fuel gas has been added, characterized in that the voltage values measured in said period and forming a voltage curve are used to detect a combustion of the A fuel gas-air mixture containing at least 20% by volume of hydrogen can be evaluated for flame formation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der Flammenbildung der Spannungsverlauf an einem zwischen zwei Elektroden der Zündeinrichtung (2) angeordneten Kondensator (2.1) gemessen wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that to detect the formation of flames, the voltage curve is measured on a capacitor (2.1) arranged between two electrodes of the ignition device (2). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Spannungsverlaufs am Kondensator (2.1) im besagten Zeitraum als Zeichen für die Flammenbildung gewertet wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that a change in the voltage curve on the capacitor (2.1) during the said period is interpreted as a sign of flame formation. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein vergleichsweise großer Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators (2.1) als Zeichen für einen vergleichsweise großen und ein vergleichsweise kleiner Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators (2.1) als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen Wasserstoffanteil im Brenngas gewertet wird.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that a comparatively large gradient on the voltage curve of the capacitor (2.1) is taken as a sign of a comparatively large and a comparatively small gradient on the voltage curve of the capacitor (2.1) as a sign of a comparatively small hydrogen content in the fuel gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein vergleichsweise großer Unterschied zwischen dem Spannungswert am Kondensator (2.1) vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen und ein vergleichsweise kleiner Unterschied zwischen dem Spannungswert am Kondensator (2.1) vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise großen Wasserstoffanteil im Brenngas gewertet wird.Procedure according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that a comparatively large difference between the voltage value on the capacitor (2.1) before and after the flame formation is a sign of a comparatively small and a comparatively small difference between the voltage value on the capacitor (2.1) before and after the flame formation is a sign of a comparatively large proportion of hydrogen in the fuel gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im besagten Zeitraum ein Volumenstrom an zugeführtem Brenngas von null beginnend kontinuierlich gesteigert wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that a volume flow of supplied fuel gas is continuously increased starting from zero during the said period. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom an zugeführtem Brenngas ab Feststellung einer Flammenbildung konstant gehalten wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the volume flow of fuel gas supplied is kept constant from the moment flame formation is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas mindestens 90 Vol.-% Wasserstoff enthält.Procedure according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the fuel gas contains at least 90% by volume of hydrogen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsverlauf zwar analog erfasst, zur Auswertung aber digitalisiert wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the voltage curve is recorded analogue, but is digitized for evaluation.
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