-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, ein Heizgerät und eine Verwendung eines ermittelten elektrischen Widerstandes.
-
Gasbetriebene Heizgeräte weisen häufig eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses (Lambda) basierend auf einer Messung des lonisationsstromes der Flamme auf. So kann ein gemessener Flammenwiderstand einer Gasflamme einen Rückschluss auf ein vorliegendes Verbrennungsluftverhältnis ermöglichen und somit zur Regelung desselben herangezogen werden. Bei mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräten treten in der Flamme jedoch nicht ausreichend freie Ladungsträger auf, so dass eine robuste Auswertung des lonisationsstromes häufig nicht möglich erscheint. Daher werden zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses wasserstoffbetriebener Heizgeräte andere Parameter/ Messverfahren zur Regelung und Überwachung einer Wasserstoffflamme herangezogen. Bekannt ist hierzu beispielsweise ein Erfassen der von einer Flamme emittierte UV- (Ultraviolett-) Strahlung, das jedoch mit hohen Kosten verbunden ist und anfällig für Verschmutzungen ist.
-
Alternativ wird in der
DE 10 2004 065 716 A1 ein Verfahren zur Regelung einer Feuerungseinrichtung vorgeschlagen, bei der eine Temperatur des Brenners einbezogen wird. Problematisch hierbei erscheint ein Auftreten eines Sensordrifts des eingesetzten Temperatursensors. Dieses ist aufgrund von Alterungseffekten, beispielsweise verursacht durch Oxidation, nahezu unausweichlich. Ein Sensordrift ist eine langsame Veränderung des Sensorsignals bei gleichbleibenden Messbedingungen und verursacht somit einen Fehler der Regelung des Heizgerätes, der mit einer unsauberen Verbrennung und geminderter Effizienz des Heizgerätes einhergeht.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. Insbesondere soll ein einfaches und kostengünstig durchführbares Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes mit einer Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses unter Einbeziehung eines Temperatursignals der Flamme angegeben werden, dass eine dauerhaft präzise Regelung ermöglicht. Zudem soll das Verfahren dazu geeignet sein, zumindest teilweise, automatisiert durchgeführt zu werden.
-
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
-
Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes mit einer Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses einbeziehend einen widerstandsbasierten Flammentemperatursensor bei, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- a) messtechnisches Ermitteln eines elektrischen Widerstandes des Flammentemperatursensors bei ausgeschaltetem Brenner des Heizgerätes,
- b) Ermitteln einer Abweichung zu einem für die Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses angenommenen elektrischen Widerstand des Flammentemperatursensors,
- c) Ermitteln einer Skalierung des elektrischen Widerstandes des Flammentemperatursensors, die die in Schritt c) ermittelte Abweichung ausgleicht, und
- d) Betreiben des Heizgerätes mit dem derart skalierten elektrischen Widerstand des Flammentemperatursensors.
-
Die Schritte a), b), c) und d) können bei einem regulären Betriebsablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Es ist möglich, die Schritte a) und b) zumindest teilweise zeitgleich oder parallel auszuführen. Vorteilhaft können die Schritte a), b) und c) auch in regelmäßigen Abständen oder durch ein Ereignis ausgelöst wiederholt werden.
-
Das Verfahren dient insbesondere einem dauerhaft sicheren Betreiben eines Heizgerätes mit einer auf einem Temperatursignal basierenden Regelung des Verbrennungsluftgemisches, insbesondere einem Ausgleich eines auftretenden Sensordriftes eines eingesetzten Flammentemperatursensors.
-
Das Heizgerät kann zumindest einen Wärmeerzeuger, insbesondere einen Gas-Brennwertkessel, umfassen, der durch Verbrennung eines Brennstoffes Wärmeenergie freisetzt und über mindestens einen Wärmetauscher auf einen Heizkreislauf übertragen kann, wobei Verbraucher des Heizkreislaufes über einen Heizungsvorlauf und einen Heizungsrücklauf an das Heizgerät anschließbar sind. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase können über einem Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden. Im Heizgerät kann im Heizkreislauf eine Umwälzpumpe dazu eingerichtet sein, ein Wärmeträgermedium (Heizungswasser) umzuwälzen, wobei über einen Heizungsvorlauf erwärmtes Wärmeträgermedium Verbrauchern, wie Konvektoren oder Flächenheizungen, zugeführt und über einen Heizungsrücklauf zum Wärmeerzeuger bzw. dem mindestens einen Wärmetauscher rückgeführt werden kann.
-
Hierzu kann das Heizgerät eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, aufweisen, das ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff (Wasserstoff) einem Brenner des Heizgerätes zuführt. Das Heizgerät kann dabei einen elektronischen Gas-Luftverbund aufweisen, also eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses (Luftzahl, Lambda) unter Einbeziehung eines, einen Rückschluss auf die Eigenschaften der Flamme ermöglichenden Parameters, der insbesondere eine Flammentemperatur sein kann. Hierzu kann in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Heizgerätes, insbesondere einer aktuellen Leistung des Heizgerätes, eine Ziel-Flammentemperatur, die einem avisierten Verbrennungsluftverhältnis entsprechen kann, für die Regelung vorgegeben sein.
-
Das Heizgerät kann einen Flammentemperatursensor aufweisen, der derart angeordnet ist, dass (direkt oder mittelbar) eine Flammentemperatur des Heizgerätes (messtechnisch) erfassbar ist. Hierfür kann der Flammentemperatursensor an oder in der Brennkammer des Heizgerätes angeordnet sein, insbesondere in einem Bereich der Brennkammer, in dem sich bei regulärer Benutzung eine Flamme ausbildet.
-
Der Flammentemperatursensor kann, bei in Betrieb befindlichem Brenner, im Bereich des Flammenkerns, im Bereich des Flammenfußes oder der Flammenspitze angeordnet sein. Alternativ ist auch eine beabstandete Anordnung zur Flamme möglich. Der Flammentemperatursensor könnte dabei am Brenner selbst oder einer Brennertür befestigt bzw. angeordnet sein, vorteilhaft kann eine derartige Ausgestaltung einfach in bestehende Montageprozesse integriert werden. Die durch den Flammentemperatursensor zu messenden Temperaturen können beispielhaft in einem Bereich zwischen 100 °C (Grad Celsius) und 1.500 °C liegen.
-
Der Flammentemperatursensor kann ein beliebiger Temperatursensor sein, der insbesondere ein elektrisches Signal als Maß für die bzw. seine Temperatur liefern oder bereitstellen kann. Das Signal kann dabei beispielsweise in einem messbaren elektrischen Widerstand bestehen, beispielsweise einem Messwiderstand, wie einem Platin- oder Silizium Messwiderstand, einem Heißleiter (NTC) oder einem Kaltleiter (PTC) als Flammentemperatursensor. Der Flammentemperatursensor kann auch ein Halbleiter-Temperatursensor sein, der ein für die Temperatur repräsentatives, direkt verarbeitbares elektrisches Signal zur Verfügung stellen kann. Alternativ können als Flammentemperatursensor auch Temperatursensoren aufweisend einen Schwingquarz, ein Thermoelement, pyroelektrische Materialien und/oder ein faseroptischer Temperatursensor vorgesehen werden. Insbesondere kann der Flammentemperatursensor auch ein Hot Surface Igniter, also als Widerstandsheizgerät, das auf eine Temperatur über einer Zündtemperatur des Gemisches aus Brennstoff und Verbrennungsluft aufheizbar ist, sein. In vorteilhafter Weise kann so die Komplexität eines hier vorzuschlagenden Heizgerätes gemindert werden, da Zündeinrichtung und Temperaturfühler und eine Einrichtung zum Erwärmen des Temperaturfühlers durch nur ein Bauteil realisiert werden können. Beispielsweise kann der Temperaturfühler ein Siliciumnitrid- oder ein Siliziumcarbid-Hot-Surface-Igniter sein.
-
Gemäß einer Ausgestaltung können die Schritte a), b) und c) mehrmals wiederholt werden, wobei insbesondere der Flammentemperatursensor in Schritt a) (nacheinander) mit (vorgegebenen) unterschiedlichen elektrischen Leistungen beaufschlagt wird. Dabei wird jeweils der (daraus resultierende bzw. bestimmte) elektrische Widerstand des Flammentemperatursensors, in Schritt b) eine Funktion der Abweichung und in Schritt c) eine Funktion der Skalierung ermitteln. Die unterschiedlichen elektrischen Leistungen können dabei in einem Anlegen unterschiedlicher elektrischer Spannungen bestehen.
-
Gemäß einer Ausgestaltung können weitere Betriebsparameter des Heizgerätes in das Ermitteln der Skalierung in Schritt c) einbezogen werden. Ein Einbeziehen zusätzlicher Betriebsparameter des Heizgerätes kann eine präzisiere Ermittlung des Sensordriftes ermöglichen.
-
Gemäß einer Ausgestaltung können die weiteren Betriebsparameter eine Umgebungstemperatur, eine Temperatur in der Zuluft des Heizgerätes, ein Massestrom in einer Luftzufuhr oder einem Gemischkanal des Heizgerätes und/ oder eine Temperatur in einem Vorlauf und/ oder einem Rücklauf des Heizgerätes sein.
-
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches zur (zumindest teilweisen) Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet ist. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm (- produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen. Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
-
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Regel- und Steuergerät für ein Heizgerät vorgeschlagen, eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Regel- und Steuergerät kann hierzu beispielsweise einen Prozessor aufweisen, und/ oder über diesen verfügen. In diesem Zusammenhang kann der Prozessor beispielsweise das auf einem Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. In vorteilhafter Weise können auf dem Speicher des Regel- und Steuergeräts auch Betriebsdaten und beispielsweise ein oder mehrere angenommene Widerstände des Flammentemperatursensors hinterlegt werden oder sein.
-
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend ein hier vorgeschlagenes Regel- und Steuergerät. Bei dem Heizgerät kann es sich um ein Gasheizgerät, insbesondere um ein wasserstoffbetriebenes Gasheizgerät, handeln. Das Gasheizgerät kann einen Brenner und eine Fördereinrichtung aufweisen, mit der ein Gemisch aus Verbrennungsgas (Wasserstoff) und Verbrennungsluft dem Brenner zugeführt werden kann. Das Heizgerät kann insbesondere eine Regelung der Gemischzusammensetzung von Brenngas und Verbrennungsluft (Verbrennungsluftverhältnis) unter Einbeziehung eines Signals eines Flammentemperatursensors aufweisen.
-
Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung eines bei ausgeschaltetem Brenner eines Heizgerätes ermittelten elektrischen Widerstandes eines Flammentemperatursensors zur Kompensation eines Sensordriftes des Flammentemperatursensors. Das Heizgerät kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein, das Verbrennungsluftverhältnis anhand der vom Flammentemperatursensor ermittelten Flammentemperatur zu regeln.
-
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogramm, dem Regel- und Steuergerät, dem Heizgerät und der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
-
Hier werden somit ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, ein Heizgerät und eine Verwendung angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, das Computerprogramm, das Regel- und Steuergerät, das Heizgerät sowie die Verwendung zumindest dazu bei, eine sichere und langzeitstabile Regelung eines Heizgerätes, insbesondere des Verbrennungsluftverhältnisses, basierend auf einer erfassten Flammentemperatur zu ermöglichen. Weiter vorteilhaft ist ein hier vorgeschlagenes Verfahren vollständig computerimplementiert durchführbar und erfordert somit keine baulichen Änderungen an einem Heizgerät.
-
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: einen Ablauf eines hier vorgestellten Verfahrens, und
- 2: ein hier vorgeschlagenes Heizgerät.
-
1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient einem Kalibrieren eines Flammentemperatursensors 6 bzw. einem Kompensieren eines Sensordrifts des Flammentemperatursensors 6. Die mit den Blöcken 110,120,130, 140 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b), c) und d) kann sich bei einem regulären Betriebsablauf einstellen.
-
2 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann einen in einer Brennkammer 8 angeordneten Brenner 3 umfassen. Über eine Zuführung Verbrennungsluft 4 kann Verbrennungsluft durch ein Gebläse 2 angesaugt werden und über ein Gasventil 5 kann dem angesaugten Volumenstrom Verbrennungsluft Brenngas zugesetzt werden und das Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 12 dem Brenner 3 zugeführt werden. Das hier vorgeschlagene Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet sein. Ein im Abgasweg des Brenners 3 angeordneter Wärmetauscher 11 kann bei der Verbrennung in der Brennkammer 8 erzeugte Wärme auf einen, in einem (hier nicht gezeigten) Heizkreis, zirkulierenden Wärmeträger übertragen. Bei der Verbrennung entstehende Verbrennungsprodukte können über ein Abgasrohr 9 einer Abgasanlage 10 zugeführt werden. In der Brennkammer 8 kann ein Flammentemperatursensor 6 derart angeordnet sein, dass eine Flammentemperatur am Brenner 3 erfasst werden kann.
-
Ein Regel- und Steuergerät 7 kann zur Regelung des Heizgerätes 1 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses zumindest mit dem Flammentemperatursensor 6, dem Gebläse 2 und dem Gasventil 5 elektrisch verbunden sein. Das Regel- und Steuergerät 7 kann anhand einer vom Flammentemperatursensor 6 erfassten Flammentemperatur am Brenner 3 Rückschlüsse auf ein vorliegendes Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) ziehen und dieses regeln.
-
3 zeigt beispielhaft und schematisch ein Diagramm, das den Widerstand R des Flammentemperatursensors 6 in Abhängigkeit einer Drehzahl n des Gebläses 2 abbildet. Der Widerstand R kann dabei einen direkten Zusammenhang zum Verbrennungsluftverhältnis herstellen. Das Diagramm in 3 zeigt eine Widerstandskurve 13 eines neuen Flammentemperatursensors 6, ohne auftretende Sensordrift, und somit Widerstandswerte, die vom Regel- und Steuergerät 7 zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses herangezogen werden. Eine Widerstandskurve 14 eines Flammentemperatursensors 6 mit Sensordrift weicht von der Widerstandskurve 13 ohne Sensordrift deutlich ab und sorgt somit für Fehler in der Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses.
-
4 zeigt beispielhaft und schematisch ein Diagramm, das die den Widerstand R des Flammentemperatursensors 6 in Abhängigkeit der anliegenden Spannung U darstellt. Auch hier ist eine Widerstandskurve 13 für einen Flammentemperatursensor 6 ohne Sensordrift und eine Widerstandskurve 14 für einen Flammentemperatursensor 6 aufweisend eine Sensordrift gezeigt.
-
Die Widerstandskurve 14 des Flammentemperatursensors 6 mit Sensordrift kann in Block 120 gemäß Schritt a) ermittelt worden sein. Hierzu kann bei ausgeschalteten Brenner 3 der (elektrische) Widerstand R des Flammentemperatursensors 6 durch ein Messen des durch den Flammentemperatursensor 6 fließenden elektrischen Stromes bei unterschiedlichen elektrischen Spannungen U und Anwendung des Ohmschen Gesetzes ermittelt werden.
-
In Block 120 kann gemäß Schritt b) eine Abweichung 16 zu einem für die Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses angenommenen Widerstand des Flammentemperatursensors 6 ermittelt werden. Der angenommene Widerstand des Flammentemperatursensors 6 kann dabei der Widerstandskurve 13 eines neuen Flammentemperatursensors 6 entsprechen. Die Abweichung 16 kann auch als Abweichungskurve in Abhängigkeit der Spannung U verstanden werden.
-
In Block 130 kann gemäß Schritt c) eine Skalierung des Widerstandes (bzw. der Widerstandskurve 14) des Flammentemperatursensors 6 ermittelt werden, die die in Schritt c) ermittelte Abweichung 16 ausgleicht.
-
5 zeigt beispielhaft und schematisch ein Diagramm in Analogie zu 3, das den Widerstand R des Flammentemperatursensors 6 in Abhängigkeit einer Drehzahl n des Gebläses 2 abbildet. Gezeigt wird eine skalierte Widerstandskurve 15 nach Durchführung des Schrittes c) (Block 130), die mit der Widerstandskurve 13 (weitestgehend) identisch ist und somit eine präzise Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses durch das Regel- und Steuergerät 7 ermöglicht.
-
In Block 140 kann das Heizgerät 1 mit der skalierten Widerstandskurve 15 des Flammentemperatursensors 6 betrieben werden, wobei ein Sensordrift des Flammentemperatursensors 6 kompensiert ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Heizgerät
- 2
- Gebläse
- 3
- Brenner
- 4
- Zuführung Verbrennungsluft
- 5
- Gasventil
- 6
- Flammentemperatursensor
- 7
- Regel- und Steuergerät
- 8
- Brennkammer
- 9
- Abgasrohr
- 10
- Abgasanlage
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Gemischkanal
- 13
- Widerstandskurve Flammentemperatursensor ohne Sensordrift
- 14
- Widerstandskurve Flammentemperatursensor mit Sensordrift
- 15
- skalierte Widerstandskurve
- 16
- Abweichung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004065716 A1 [0003]
