DE102022112785A1 - Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, Computerprogramm, Regel- und Steuergerät und Heizgerät - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1) aufweisend einen Brenner (3), dem ein Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt wird, und einen ersten Flammensensor (6) und einen zweiten Flammensensor (13), wobei erster und zweiter Flammensensor (6,13) Signale (14,15) mit unterschiedlicher Charakteristik in Bezug auf eine aktuelle Leistung und/ oder Luftzahl (λ) des Heizgerätes (1) erzeugen, umfassend zumindest die folgenden Schritte:a) Erfassen eines ersten Signals (14) des ersten Flammensensors (6) und eines zweiten Signals (15) des zweiten Flammensensors (13),b) Bestimmen eines dem Brenner (3) zugeführten Massestromes (ṁ) Verbrennungsgemisch und der Luftzahl (λ) des Verbrennungsgemisches unter Einbeziehung von erstem und zweitem Signal (14,15),c) Anpassung der Regelung des Heizgerätes (1) unter Einbeziehung des in Schritt b) bestimmten Massestromes (ṁ) und der Luftzahl (λ).Durch ein hier vorgeschlagenes Verfahren kann eine präzise Regelung eines Heizgerätes (1) anhand zweiter Flammensensoren (6, 13) ermöglicht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät.
  • Gasbetriebene Heizgeräte weisen häufig eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses, auch als Luftzahl Lambda (λ) bezeichnet, auf, basierend auf einem Signal eines Sensors, der in einem Brenner oder in der Umgebung einer Flamme bzw. des Brenners des Heizgerätes angeordnet ist und einen Rückschluss auf die Luftzahl (λ) zulässt.
  • Beispielhaft wird hierzu in der DE 100 45 270 A1 vorgeschlagen, einen Temperatursensor im Flammenkern eines Brenners anzuordnen und eine Regelung der Brennstoff-Luftzusammensetzung basierend auf der ermittelten Flammentemperatur durchzuführen. Dabei kann der verwendete Temperatursensor aufgrund seiner Größe sowohl kleine als auch große Flammen erfassen und somit eine Regelung in einem breiteren Modulationsbereich ermöglichen.
  • Daneben ist die Ermittlung eines lonisationsstromes einer Flamme bekannt, der gleichfalls einen Rückschluss auf die Luftzahl der Flamme ermöglicht. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei Brennstoffen robust einsetzbar, deren Verbrennung eine ausreichende Menge freier Ladungsträger freisetzt. Dies ist beispielsweise bei Wasserstoff schwierig.
  • Dabei kann jedoch ein ermittelter Sensorwert sowohl von der Luftzahl, als auch von dem Brenner zugeführten Massestrom des Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft abhängen. Daher wird zumeist der Massestrom oder Volumenstrom Verbrennungsgemisch durch einen entsprechenden Sensor ermittelt und in die Regelung einbezogen. Bei Heizgeräten ohne einen entsprechenden Sensor wird zumeist eine Leistung einer Fördereinrichtung herangezogen, beispielsweise eine Drehzahl einer als Gebläse ausgebildeten Fördereinrichtung. Die Leistung der Fördereinrichtung kann jedoch häufig nur einen sehr ungenauen Rückschluss auf den Massestrom Verbrennungsgemisch ermöglichen, beispielsweise kann eine Behinderung des Strömungsweges von Verbrennungsgemisch bzw. Abgasstrom zu erheblichen Abweichungen führen. Eine Ursache hierfür kann eine zumindest teilweise blockierte Abgasanlage sein. Eine resultierende ungenaue Regelung der Luftzahl kann zu einer unsauberen und ineffizienten Verbrennung führen.
  • 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. Es soll zudem ggf. erreicht werden, dass das Verfahren für unterschiedliche Brennstoffe zuverlässig einsetzbar ist.
  • 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 bei. Das Heizgerät weist einen Brenner auf, dem ein Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt wird. Weiter ist zumindest ein erster Flammensensor und ein zweiten Flammensensor vorgesehen, wobei beide bzw. alle Flammensensoren Signale mit (jeweils bzw. gleichzeitig) unterschiedlicher Charakteristik in Bezug auf die Leistung und/ oder die Luftzahl (λ) des Heizgerätes aufweisen bzw. erzeugen. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
    1. a) Erfassen eines ersten Signals des ersten Flammensensors und eines zweiten Signals des zweiten Flammensensors,
    2. b) Bestimmen eines dem Brenner zugeführten Massestromes (ṁ) des Verbrennungsgemisches und der Luftzahl (λ) des Verbrennungsgemisches unter Einbeziehung des ersten Signals und des zweiten Signals,
    3. c) Regeln des Heizgerätes unter Einbeziehung des in Schritt b) bestimmten Massestromes (ṁ) und der in Schritt b) bestimmten Luftzahl (λ).
  • Die Schritte a), b) und c) können bei einem regulären Betriebsablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Insbesondere kann die Durchführung der Schritte a) bis c) mehrmals, insbesondere permanent wiederholt werden.
  • Das Verfahren dient insbesondere einem dauerhaft sicheren Betreiben eines Heizgerätes mit einer sensorbasierten Regelung des Verbrennungsluftgemisches, insbesondere eines Heizgerätes, bei dem eine direkte Erfassung eines, einem Brenner des Heizgerätes zuzuführenden, Masse- oder Volumenstromes an Brenngas und Verbrennungsluft nicht möglich ist.
  • 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 Verbrennungsgemisch aus Verbrennungsluft und Brenngas, beispielsweise fossilem Gas oder Wasserstoff, einem Brenner des Heizgerätes zuführt. Das Heizgerät kann dabei eine sensorische Regelung der Luftzahl (λ) aufweisen. Das Heizgerät kann hierfür mindestens zwei Flammensensoren aufweisen, die einen Rückschluss auf ein Verbrennungsluftverhältnis erlauben. Insbesondere können die mindestens zwei Flammensensoren unterschiedliche Charakteristiken in Bezug auf die (aktuell gemessene) Leistung des Heizgerätes und/ oder die Luftzahl aufweisen. Insbesondere können anhand eines ersten Signals eines ersten Flammensensors und eines zweiten Signals eines zweiten Sensors aufgrund derer unterschiedlicher Charakteristiken hinsichtlich Leistung und/ oder Luftzahl diese entsprechend bestimmt werden.
  • Die Bezeichnung „unterschiedliche Charakteristik hinsichtlich einer Leistung/ und / oder einer Luftzahl“ bezeichnet hier den Umstand, dass ein erster Zusammenhang von erstem Sensorsignal und der Luftzahl und/ oder der Leistung (deutlich) von einem zweiten Zusammenhang von zweitem Sensorsignal und der Luftzahl und/ oder der Leistung des Heizgerätes derart voneinander abweichen, dass möglichst eindeutig eine Schnittmenge feststellbar sein kann. Hierzu können insbesondere die Zusammenhänge selbst bzw. deren Gradienten deutlich voneinander abweichen. Die unterschiedliche Charakteristik ist beispielsweise dadurch erkennbar, dass dieselbe Situation des Brenners zu (signifikant) abweichenden Messergebnissen bzw. Signalen führt. Im Betrieb wird sensorisch von den beiden Flammensensoren zum selben Zeitpunkt bzw. im selben Zeitraum ein abweichendes Signal erzeugt, wobei gerade aus dieser unterschiedlichen Charakteristik Aussagen über die tatsächliche Luftzahl und/ oder Leistung des Brenners abgeleitet werden können, insbesondere durch einen Vergleich beider Signale und/oder eine gemeinsame Bewertung.
  • Dabei kann der Massestromes (m) des Verbrennungsgemisches ein Maß für eine Leistung des Heizgerätes sein. Es ist ebenso möglich, dass ein Volumenstrom des Verbrennungsgemisches als Maß der Leistung des Heizgerätes herangezogen wird, der in Kenntnis der Dichte des Verbrennungsgemisches in einen Massestrom überführbar ist.
  • Der erste Flammensensor oder der zweite Flammensensor kann insbesondere eine lonisationselektrode, ein Temperatursensor, eine Lambdasonde oder ein optischer Sensor, insbesondere ein UV-Sensor, sein.
  • Bei einer lonisationselektrode handelt es sich um eine Einrichtung zur Messung eines lonisationsstromes einer Flamme des Brenners des Heizgerätes. Durch Anlegen einer Spannung an eine lonisationselektrode kann ein, beispielsweise über einen Brennerköper, fließender lonisationsstrom messbar sein, der einen Rückschluss auf Leistung und/ oder Luftzahl ermöglicht. Die Ionisationselektrode kann vorteilhaft ein Hot- Surface- Igniter sein, der zusätzlich dazu eingerichtet ist als Zündeinrichtung des Brenners zu dienen. Ein Hot Surface Igniter kann somit ein Erfassen einer Flammentemperatur und eines lonisationsstromes der Flamme ermöglichen, sowie als Zündeinrichtung dienen.
  • In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass erster und zweiter Flammensensor durch einen einzigen Sensor (Flammensensorik), der dazu eingerichtet ist, ein erstes und zweites Signal, die eine unterschiedlicher Charakteristik in Bezug auf die Leistung und/ oder die Luftzahl (λ) des Heizgerätes aufweisen, realisiert sein kann. Ein Beispiel hierfür kann ein oben beschriebener Hot Surface Igniter sein.
  • Der Temperatursensor kann insbesondere derart angeordnet sein, dass eine Flammentemperatur des Heizgerätes erfassbar ist. Hierfür kann der Temperatursensor in der Brennkammer des Heizgerätes angeordnet sein, insbesondere in einem Bereich der Brennkammer, in dem sich bei regulärer Benutzung eine Flamme ausbildet.
  • Der Temperatursensor 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 Temperatursensor kann ein beliebiger Temperatursensor sein, der insbesondere ein elektrisches Signal als Maß für 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 ein 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.
  • Eine Lambdasonde kann eine bekannte Lambdasonde sein, dazu eingerichtet einen Sauerstoffgehalt im Abgasstrom des Heizgerätes zu ermitteln. Anhand dieser Information kann ein Rückschluss auf das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsgemisches gezogen werden. Unter Einbeziehung eines zweiten Flammensensors, der einen Rückschluss auf den Massestrom des Verbrennungsgemisches ermöglicht, kann mit einem hier vorgeschlagenen Verfahren auch der Massestrom und/oder die Luftzahl mittels einer Lambdasonde ermittelt werden.
  • Ein optischer Sensor kann dazu eingerichtet sein, von einer Flamme des Heizgerätes emittierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen. Die zu erfassende Strahlung kann dabei (für den Menschen) sichtbares Licht, Infrarotstrahlung (IR) und/ oder Ultraviolettstrahlung (UV) sein.
  • Gemäß einer Ausgestaltung können in Schritt a) Signale von erstem und zweitem Flammensensor erfasst werden, wobei erster und zweiter Flammensensor unterschiedliche Flammensensoren sind. Vorteilhaft können hierbei Flammensensoren ausgewählt werden, die selbst bzw. sensorbedingt erhebliche bzw. deutliche Unterschiede in der Charakteristik bezüglich der Leistung und/ oder der Luftzahl eines Heizgerätes aufweisen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung können in Schritt a) Signale von erstem und zweitem Flammensensor erfasst werden, wobei erster und zweiter Flammensensor an unterschiedlichen Positionen bezogen auf den Brenner des Heizgerätes bzw. auf eine am Brenner auftretende Flamme angeordnet sind. Dabei können erster und zweiter Flammensensor insbesondere einen (deutlich) abweichenden Abstand zum Brenner bzw. der Flamme aufweisen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann in Schritt b) die Luftzahl (λ) und/ oder der Massestrom (m) über mehrdimensionale (mathematische) Funktionen bestimmt werden. Vorteilhaft können auch so ein erster und ein zweiter Flammensensor bereitgestellt werden, die selbst bzw. sensorbedingt erhebliche bzw. besondere Unterschiede in der Charakteristik bezüglich der Leistung und/ oder der Luftzahl eines Heizgerätes aufweisen.
  • Wie bereits eingangs ausgeführt, kann eine Änderung eines Signals eines derartigen Flammensensors in der Regel auf eine Änderung der Luftzahl und/ oder eine Änderung der Leistung des Heizgerätes, verbunden mit einer Änderung des Masse- oder Volumenstromes Verbrennungsgemisch, zurückzuführen sein. Beispielsweise kann eine Signaländerung, die eine Erhöhung der Flammentemperatur anzeigt auf eine Leistungssteigerung oder eine Änderung der Luftzahl zurückzuführen sein. Somit können alle möglichen Kombinationen von Luftzahl und Massestrome des Verbrennungsgemisches für verschiedene eintretenden Sensorsignale als eine dreidimensionale Funktion verstanden werden und es können zwei dreidimensionale Funktionen gebildet werden, die das (erste oder zweite) Signal des (ersten oder zweiten) Flammensensors in Abhängigkeit von Massenstrom und Luftzahl darstellen. Für einen Sensorwertwert (beispielsweise einer Spannung eines Flammensensors von 1,43 V) kann nunmehr jeweils eine zweidimensionale Funktion gebildet werden, die den Massenstrom in Abhängigkeit von der Luftzahl oder die Luftzahl in Abhängigkeit von dem Massenstrom darstellt. Anhand von erstem und zweitem Signal können somit zwei zweidimensionale Funktionen ermittelt werden, deren Schnittpunkt einen Betriebspunkt angeben kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann für das erste und zweite Signal jeweils eine dreidimensionale Funktion ermittelt werden, wobei eine erste Funktion den Massestrom in Abhängigkeit von erstem und zweitem Signal und eine zweite Funktion die Luftzahl in Abhängigkeit von erstem und zweitem Signal darstellen kann. So kann eine direkte Bestimmung von Massestrom und Luftzahl ermöglicht werden.
  • Eine oben beschriebene dreidimensionale Funktion darstellend alle möglichen Kombinationen von Luftzahl und Massestrom des Verbrennungsgemisches (bzw. Leistung des Heizgerätes) für verschiedene eintretende Sensorsignale, kann beispielsweise mittels eines Referenzheizgerätes mit entsprechend angeordnetem ersten und zweiten Flammensensor ermittelt werden, wobei Luftzahl und Leistung des Referenzheizgerätes bekannt sind und so ein Zusammenhang zwischen Sensorsignal (von erstem und zweiten Flammensensor) und einer Luftzahl und einer Leistung des Heizgerätes beispielsweise anhand von Kennfeldaufnahmen des Heizgerätes bestimmbar ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung können weitere Betriebsparameter des Heizgerätes in eine Durchführung des Schrittes b) einbezogen werden. Ein Einbeziehen zusätzlicher Betriebsparameter des Heizgerätes kann eine präzisiere Ermittlung des von Luftzahl und Leistung des Heizgerätes ermöglichen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung können die weiteren Betriebsparameter eine Umgebungstemperatur, eine Temperatur in der Zuführung Verbrennungsluft, eine Leistung einer Fördereinrichtung 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 entsprechende Funktionen, die mögliche Kombinationen von Luftzahl und Leistung des Heizgerätes für ein erstes und zweites Signal von erstem und zweitem Flammensensor angeben, zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens hinterlegt 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 gasbetriebenes Gasheizgerät, handeln. Das Gasheizgerät kann einen Brenner und eine Fördereinrichtung aufweisen, mit der ein Verbrennungsgemische aus Brenngas und Verbrennungsluft einem Brenner zugeführt werden kann. Das Heizgerät kann insbesondere eine Regelung der Zusammensetzung des Verbrennungsgemisches (Luftzahl, Verbrennungsluftverhältnis) unter Einbeziehung eines ersten und zweiten Signals eines ersten und zweiten Flammensensors aufweisen.
  • Ein Regel- und Steuergerät für ein Heizgerät mit mindestens zwei Flammensensoren ist eingerichtet, ein Verfahren der hier vorgestellten Art auszuführen. Ein Heizgerät kann mit einem solchen Regel- und Steuergerät ausgeführt sein.
  • Insbesondere wird ein Heizgerät vorgeschlagen, umfassend einen Brenner, mindestens zwei Flammensensoren und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des hier vorgeschlagenen Verfahrens ausführen. Zudem kann ein Computerprogramm vorliegen, umfassend Befehle, die bewirken, dass dieses Heizgerät die Schritte des Verfahrens ausführt.
  • 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.
  • Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“,...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
  • Hier werden somit ein Verfahren zur 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,
    • 2: ein hier vorgeschlagenes Heizgerät,
    • 3: eine Anordnung von erstem und zweitem Flammensensor und
    • 4: Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können.
  • 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient einem Betreiben eines Heizgerätes 1, insbesondere einer Regelung einer Luftzahl λ des Verbrennungsgemisches. Die mit den Blöcken 110,120 und 130 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) kann sich bei einem regulären Betriebsablauf einstellen, wobei diese insbesondere regelmäßig oder permanent wiederholt werden können.
  • 2 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1, eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases wie Erdgas oder Wasserstoff. 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 Massestrom Verbrennungsluft Brenngas zugesetzt werden und das Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 12 dem Brenner 3 zugeführt werden. 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 erster Flammensensor 6 und ein zweiter Flammensensor 13 derart angeordnet sein, dass ein erstes Signal des ersten Flammensensors 6 und ein zweites Signal einer Flamme des Brenners 3 erfasst werden kann. Dabei können erster Flammensensor 6 und zweiter Flammensensor 13 unterschiedliche Flammensensoren sein, beispielsweise kann der erste Flammensensor 6 ein Temperatursensor und der zweite Flammensensor 13 eine lonisationselektrode sein. Ionisationselektrode und Temperatursensor weisen eine deutlich abweichende Charakteristik hinsichtlich einer Luftzahl λ und Massestrom ṁ des dem Brenner 3 zugeführten Massestromes Verbrennungsgemisch auf.
  • Ein Regel- und Steuergerät 7 kann zur Regelung des Heizgerätes 1 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses zumindest mit dem ersten Flammensensor 6, dem zweiten Flammensensor 13, dem Gebläse 2 und dem Gasventil 5 elektrisch verbunden sein. Das Regel- und Steuergerät 7 kann anhand des ersten Signals und zweiten Signals von erstem und zweitem Flammensensor 6, 13 der Flamme am Brenner 3 auf eine Luftzahl λ und einen Massestrom ṁ schließen und diese regeln. Der Massestrom ṁ kann dabei ein Maß für die (aktuelle) Leistung des Heizgerätes 1 sein.
  • In Block 110 kann gemäß Schritt a) ein erstes Signal 14 des ersten Flammensensors 6 und das zweite Signal 15 des zweiten Flammensensors 13 erfasst werden. Der Schritt a) kann insbesondere durch das Regel- und Steuergerät 7 durchgeführt werden, wobei die erfassten Signale 14, 15 auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes 7 hinterlegt werden können.
  • 3 zeigt beispielhaft und schematisch einen Brenner 3 des Heizgerätes 1 mit einem zylinderförmigen Brennerkörper 18, an dem ein erster Flammensensor 6 und ein zweiter Flammensensor 13 angeordnet sind. In diesem alternativen Beispiel können erster Flammensensor 6 und zweiter Flammensensor 13 gleiche Sensoren(typen) sein. Der erste Flammensensor 6 kann einen Abstand 16 zum Brennerkörper 18 und der zweite Flammensensor 13 kann einen Abstand 17 zum Brennerkörper 18 aufweisen, wobei der Abstand 16 des ersten Flammensensors 6 deutlich geringer ist als der Abstand 17 des zweiten Flammensensors 13. Dieser abweichende Abstand des Flammensensors 16,17 resultiert in einer abweichenden Charakteristik hinsichtlich der Luftzahl λ und dem Massestrom ṁ des dem Brenner 3 zugeführten Massestromes Verbrennungsgemisch.
  • In Block 120 kann gemäß Schritt b) ein dem Brenner zugeführter Massestrome Verbrennungsgemisch und die Luftzahl (λ) des Verbrennungsgemisches unter Einbeziehung von erstem und zweitem Signal 14,15 ermittelt oder berechnet werden.
  • 4 zeigt beispielhaft und schematisch ein Diagramm, das eine Funktion möglicher Kombinationen von Luftzahl λ und Massestrom ṁ für ein erfasstes erstes Signal 14 des ersten Flammensensors 6 und eine Funktion möglicher Kombinationen von Luftzahl λ und Massestrom ṁ für ein erfasstes zweites Signal 15 des zweiten Flammensensors 13 darstellt. Ein Betriebspunkt 19 kann als Schnittpunkt der Funktionen, also der Kombination von Luftzahl λ und Massestrom ṁ die gemäß erstem und zweitem Signal 14,15 möglich ist.
  • In Block 130 kann gemäß Schritt c) das Heizgerät 1 die in Block 120 (Schritt b) ermittelten Luftzahl λ und Massestrom ṁ in die Regelung des Heizgerätes 1 durch das Regel- und Steuergerät 7 einbezogen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Gebläse
    3
    Brenner
    4
    Zuführung Verbrennungsluft
    5
    Gasventil
    6
    erster Flammensensor
    7
    Regel- und Steuergerät
    8
    Brennkammer
    9
    Abgasrohr
    10
    Abgasanlage
    11
    Wärmetauscher
    12
    Gemischkanal
    13
    zweiter Flammensensor
    14
    erstes Signal
    15
    zweites Signal
    16
    Abstand erster Flammensensor
    17
    Abstand zweiter Flammensensor
    18
    Brennerkörper
    19
    Betriebspunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10045270 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1), aufweisend einen Brenner (3), dem ein Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt wird, und einen ersten Flammensensor (6) und einen zweiten Flammensensor (13), wobei erster Flammensensor (6) und zweiter Flammensensor (13) Signale mit unterschiedlicher Charakteristik in Bezug auf eine aktuelle Leistung und/oder Luftzahl (λ) des Heizgerätes (1) erzeugen, umfassend zumindest die folgenden Schritte: a) Erfassen eines ersten Signals (14) des ersten Flammensensors (6) und eines zweiten Signals (15) des zweiten Flammensensors (13), b) Bestimmen eines dem Brenner (3) zugeführten Massestromes (ṁ) des Verbrennungsgemisches und der Luftzahl (λ) des Verbrennungsgemisches unter Einbeziehung des ersten Signals (14) und des zweiten Signals (15), c) Regeln des Heizgerätes (1) unter Einbeziehung des in Schritt b) bestimmten Massestromes (ṁ) und der in Schritt b) bestimmten Luftzahl (λ).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Flammensensor (6) und der zweite Flammensensor (13) ausgewählt sind aus folgender Gruppe: lonisationselektrode, Temperatursensor, Lambdasonde, optischer Sensor, Hot Surface Igniter.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Flammensensor (6) und der zweite Flammensensor (13) verschiedene Elemente der Gruppe sind.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Flammensensor (6) und der zweite Flammensensor (13) an unterschiedlichen Positionen bezogen auf den Brenner (3) des Heizgerätes (1) angeordnet sind.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) die Luftzahl (λ) und/ oder der Massestrom (ṁ) über mehrdimensionale Funktionen und/ oder auf Basis eine Approximation aus Messpunkten bestimmt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das in Schritt b) die Luftzahl (λ) und/ oder der Massestrom (ṁ) unter Einbeziehung einer künstlichen Intelligenz ermittelt wird, die in Vorversuchen mit bekanntem Massestrom (ṁ) und bekannter Luftzahl (λ) angelernt wurde.
  7. Regel- und Steuergerät (7) für ein Heizgerät (1) mit mindestens zwei Flammensensoren (6, 13), eingerichtet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  8. Heizgerät (1) mit einem Regel- und Steuergerät (7) nach Anspruch 7.
  9. Heizgerät (1) mit einem Brenner (3), mindestens zwei Flammensensoren (6, 13) und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 ausführen.
  10. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Heizgerät (1) des Anspruchs 9 die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 ausführt.
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