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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, einen Brennstoffdurchflussregler und ein Heizgerät.
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Es sind eine Vielzahl von Heizgeräten bekannt, die ein Gemisch aus einem Brennstoff, insbesondere Gas oder Wasserstoff und Umgebungsluft verbrennen, um Wärme zur Versorgung eines Gebäudes oder zur Bereitstellung von Warmwasser zu gewinnen.
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Beim Betrieb derartiger Heizgeräte kann es, insbesondere bei der Inbetriebnahme oder beim Anfahren eines neuen Modulationspunktes, zu Flammenrückschlägen bzw. Rückzündungen kommen. Bei einem Flammenrückschlag breitet sich die Flamme in den Gemischkanal des Heizgerätes verbunden mit einem schlagartigen Druck- und Temperaturanstieg aus, was zu Schäden des Heizgerätes führen kann. Auch können hierbei Leckagen im Gemischkanal oder einem Gebläse des Heizgerätes entstehen, durch die unverbranntes Brenngas, verbunden mit einer erheblichen Gefährdung für Gebäude und anwesende Personen, austreten kann. Aufgrund der vergleichsweise hohen Flammengeschwindigkeit einer Wasserstoffflamme besteht bei wasserstoffbetriebenen Heizgeräten ein besonderes Risiko für das Auftreten von Flammenrückschlägen.
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Zur Vermeidung von Flammenrückschlägen schlägt die
EP 3 974 719 A1 vor, zwischen einer Luftzufuhr und dem Brenner eines Heizgerätes mindestens eine Flammensperre anzuordnen. Die Flammensperre kann dabei hochtemperaturfesten Kanal, Poren oder Wabensysteme umfassen. Nachteilig erscheint ein hoher Kosten- und Installationsaufwand für die mindestens eine Flammensperre. Zudem kann die vorgeschlagene Lösung nur mögliche Schäden in Folge von auftretenden Flammenrückschlägen mindern, jedoch einen Flammenrückschlag nicht verhindern.
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Weiterhin sind Brennstoffdurchflussregler bekannt, insbesondere Wasserstoffdurchflussregler, die die Zugabe der Brennstoffmenge derart steuern, dass Flammenrückschläge vermieden werden. Eine Einstellung der Regler erfolgt anhand von im Vorfeld erfolgten Versuchen an einem Referenzheizgerät. Häufig ist die Auslegung des Reglers zudem iterativ und wird an das konkrete Heizgerät angepasst. Jedoch können aufgrund von Bauteiltoleranzen oder sich ändernder Betriebsbedingungen Brennstoffdurchflussregler ihren Auslegungsbereich verlassen, einhergehend mit einem steigenden Risiko von Flammenrückschlägen.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes vorzuschlagen, das die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll das Auftreten von Flammenrückschlägen zumindest teilweise verhindert werden.
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Zudem soll die Erfindung die Komplexität eines Heizgerätes zumindest nicht wesentlich erhöhen und nur geringe bauliche Veränderungen erfordern, um eine einfache Integration in einen bestehenden Produktionsprozess zu ermöglichen.
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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.
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Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, aufweisend einen Brenner, insbesondere mit einem Brennstoffdurchflussregler, bei, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a) Erfassen eines Massestromes Verbrennungsluft,
- b) Ermitteln eines Brennstoffmassenstromes für den erfassten Massestrom Verbrennungsluft,
- c) Ermitteln einer Flammengeschwindigkeit eines Brennstoff-Luftgemisches gebildet aus dem in Schritt a) erfassten Massestrom Verbrennungsluft und des in Schritt b) ermittelten Brennstoffmassestromes,
- d) Ermitteln einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches am Brenner des Heizgerätes,
- e) Vergleichen der in Schritt c) ermittelten Flammengeschwindigkeit mit der in Schritt d) ermittelten Strömungsgeschwindigkeit und betreiben des Heizgerätes mit dem in Schritt b) ermittelten Brennstoffmassestrom.
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Die Schritte a), b), c), d) und e) können dabei zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren dient einem Verhindern von Flammenrückschlägen beim Betreiben, insbesondere beim Ansteuern eines neuen Modulationspunktes, oder einer Inbetriebnahme eines Heizgerätes. Insbesondere kann das Verfahren vollständig computergestützt im Vorfeld einer Anpassung der Brenngaszufuhr an den neuen Modulationspunkt durchgeführt werden.
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Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, das dazu eingerichtete ist, ein Brenngas, wie Erdgas oder insbesondere Wasserstoff unter Zufuhr von Umgebungsluft zu verbrennen und Wärmeenergie, beispielsweis zur Erwärmung eines Wärmeträgers eines Heizkreislaufes oder auch zur Bereitstellung einer Warmwasserversorgung zu erzeugen. Insbesondere kann es sich bei dem Heizgerät um ein Brennwertgerät handeln. Das Heizgerät weist in der Regel eine Brennkammer und eine Fördereinrichtung bzw. ein Gebläse auf, die ein Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft über einen Gemischkanal in eine Brennkammer, in der ein Brenner angeordnet ist, fördern kann. Die Verbrennungsprodukte können anschließend durch einen Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden.
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Der Brenner kann mindestens ein, ggf. zylindrisches, Lochblech umfassen, dass verbunden mit einem Brennerhohlraum ist. Der Brennerhohlraum ist mit dem Gemischkanal verbunden, so dass Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal durch den Brennerhohlraum strömen und aus dem Lochblech austreten kann und verbrannt wird. Im Bereich des Lochbleches kann zudem eine Zündeinrichtung angeordnet sein, dazu eingerichtet, einen durch das Lochblech austretenden Massestrom Verbrennungsgemisch zu entzünden.
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Das Heizgerät kann zudem eine Flammenüberwachung aufweisen, die das Vorhandensein einer Flamme am Brenner erfassen, und bei einem Erlöschen der Flamme die Gaszufuhr unterbrechen kann. Anhand der Flammenüberwachung kann detektiert werden, ob eine Flamme bei dem Brenner vorliegt oder nicht. Dabei kann ein Signal der Flammenüberwachung zur Regelung und Steuerung des Heizgerätes, insbesondere zum Ermitteln und Regeln eines Verbrennungsluftverhältnisses des Gasgemisches, herangezogen werden. Für eine Flammenüberwachung können verschiedene Sensoren eingesetzt werden. Häufig kommen lonisationselektroden zum Einsatz, die einen lonisationsstrom der Flamme messen. Jedoch entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff nur zu wenig freie Ladungsträger, wodurch dieses Verfahren für wasserstoffbetriebene Heizgeräte zumeist keine robuste Flammenerkennung ermöglicht. Weiterhin bekannt sind Temperatursensoren zur Flammenerkennung. Diese können auch genutzt werden, indem ein temperaturabhängiger Widerstand des Temperatursensors, beispielsweise einem Glühzünder bzw. Hot-Surface-Igniter, gemessen wird. Insbesondere ermöglicht die Flammenüberwachung einen Rückschluss auf das Verbrennungsluftverhältnis (auch als Lambda oder Luftzahl bezeichnet) des zugeführten Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft.
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Das Heizgerät kann insbesondere die Brennerleistung an den Bedarf anpassen, was auch als Modulieren bezeichnet wird. Hierzu kann bei einem Erkennen eines geänderten Wärmebedarfs, beispielsweise unter Einbeziehung einer Vorlauf- und Rücklauftemperatur eines mit dem Heizgerät verbundenen Heizkreises, ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes eine Leistung des Gebläses des Heizgerätes und damit den Massestrom Verbrennungsluft an den Wärmebedarf anpassen. Gleichzeitig passt eine Regelung den Brennstoffmassestrom an den sich ändernden Massestrom Verbrennungsluft an. Häufig wird zur Vermeidung von Flammenrückschlägen in niedrigen Leistungsbereichen das Verbrennungsluftverhältnis angepasst, insbesondere der Anteil Verbrennungsluft erhöht. Durch die damit verbundene Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit (bei gleicher Leistung des Heizgerätes) kann das Risiko von Flammenrückschlägen gemindert werden.
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Das Heizgerät kann zur Steuerung des Brennstoffmassestromes ein Gasventil aufweisen, das in der Regel ein Gassicherheitsventil und ein Gasregelventil umfassen kann. Das Gasregelventil kann dabei insbesondere ein Schrittmotorventil sein, dass einen definierten Brennstoffmassestrom einstellen kann. Ein Brennstoffdurchflussregler kann dazu eingerichtet sein, einen (einzustellenden) Brennstoffmassestrom zu erfassen und eine entsprechende Öffnungsposition des Gasregelventils zu ermitteln und an das Gasregelventil zu übertragen.
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Gemäß Schritt a) erfolgt ein Erfassen eines Massestromes der Verbrennungsluft. Der Massestrom Verbrennungsluft kann mittels der Fördereinrichtung bzw. des Gebläses des Heizgerätes durch eine Zuführung Verbrennungsluft vorbestimmt bzw. gefördert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann das Erfassen des Massestromes Verbrennungsluft durch einen in der Zuführung Verbrennungsluft angeordneten Massestromsensor erfolgen.
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In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass das Erfassen eines Massestromes auch durch ein Erfassen eines Volumenstromes erfolgen kann, der in Kenntnis der Dichte des Mediums und der Temperatur in einen Massestrom überführbar ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann das Erfassen eines Massestromes Verbrennungsluft in Schritt a) auch in einem Erfassen eines (einem neuen Modulationspunkt entsprechenden) Zielmassestromes Verbrennungsluft bestehen, der von der Fördereinrichtung gefördert werden soll. Eine Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens kann für diesen Zielmassestrom Verbrennungsluft erfolgen und erst wenn dabei in Schritt e) festgestellt wird, dass die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit höher der entsprechenden Flammengeschwindigkeit ist, kann der Zielmassestrom Verbrennungsluft durch die Fördereinrichtung bzw. einen Regler der Fördereinrichtung realisiert werden.
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Gemäß Schritt b) erfolgt ein Ermitteln eines Brennstoffmassenstromes für den erfassten Massestrom Verbrennungsluft. Insbesondere kann in Kenntnis des in Schritt a) erfassten Massestromes Verbrennungsluft ein zuzufügender Massestrom Brenngas unter Einbeziehung eines vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnisses ermittelt (berechnet) werden. Das Verbrennungsluftverhältnis kann beispielsweise anhand von auf einem Datenspeicher des Regel- und Steuergerätes des Heizgerätes hinterlegten Kenndaten ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Ermitteln des Brennstoffmassestromes unter Einbeziehung einer Flammenüberwachung erfolgen. Insbesondere kann die Flammenüberwachung dabei auch ein Zielverbrennungsluftverhältnis regeln. Dabei kann die Vorgabe einer neuen Brennerleistung einen neuen Zielwert der Regelgröße zur Flammenüberwachung vorgeben. Dies kann beispielsweise ein neuer Ziel-Ionisationsstrom oder ein neuer Ziel-Temperaturwert sein. Der Zielwert der Regelgröße stellt das Zielverbrennungsluftverhältnis ein. Dieser neue Zielwert der Regelgröße kann vom aktuell gemessenen Wert der Regelgröße abweichen. Außerdem wird durch die Vorgabe einer neuen Brennerleistung der Luftmassenstrom durch die Fördereinrichtung bzw. des Gebläses verändert. Dies kann den aktuell gemessenen Wert der Regelgröße verändern. Der Brennstoffdurchflussregler passt den Brennstoffstrom an, so dass die Abweichung vom aktuell gemessen Wert der Regelgröße zum Zielwert der Regelgröße abnimmt bzw. im Idealfall keine Abweichung zwischen aktuell gemessenem Wert der Regelgröße zum Zielwert mehr vorliegt. Bevor das Gasregelventil die neue Vorgabe zum Öffnen oder Schließen des Regelventils vom Brennstoffdurchflussregler erhält, wird der sich dabei einstellende Brennstoffmassenstrom nach einem hier vorgeschlagenen Verfahren hinsichtlich eines Auftretens von Flammenrückschlägen geprüft werden. Erst wenn dabei in Schritt e) eine Flammengeschwindigkeit festgestellt wird, die kleiner der Strömungsgeschwindigkeit ist, kann die neue Vorgabe für das Gasregelventil an dieses übertragen werden.
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Gemäß Schritt c) kann ein Ermitteln einer Flammengeschwindigkeit eines Verbrennungsgemisches (Brennstoff-Luftgemisches) gebildet aus dem in Schritt a) erfassten Massestrom Verbrennungsluft und des in Schritt b) ermittelten Brennstoffmassestromes erfolgen. Hierzu kann das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsgemisches gebildet aus dem in Schritt a) erfassten Massestrom Verbrennungsluft und dem in Schritt b) ermittelten Brennstoffmassestrom ermittelt werden. Anhand von Kenndaten oder einer entsprechenden Tabelle kann anhand des Verbrennungsluftverhältnisses eine Flammengeschwindigkeit ermittelt werden. Die Durchführung des Schrittes c) kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät des Heizgerätes oder des Brennstoffdurchflussreglers durchgeführt werden.
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Gemäß Schritt d) kann ein Ermitteln einer Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgemisches am Brenner des Heizgerätes erfolgen. Insbesondere kann die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgemisches beim Austreten aus einem Lochblech des Brenners ermittelt (berechnet) werden. Hierfür kann eine Brennergeometrie, insbesondere eine Lochgröße (Lochdurchmesser bzw. die für die Strömung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche) und die Anzahl der Löcher zum Austreten des Verbrennungsgemisches des Lochbleches herangezogen werden, um einen summarisch verfügbaren Strömungsquerschnitt, der für das Austreten des Massestromes Verbrennungsgemisch aus dem Lochblech zur Verfügung steht. Der Volumenstrom des Verbrennungsgemisches kann berechnet werden aus der Dichte des Verbrennungsgemisches und dem Massestrom Verbrennungsgemisch. Dabei entspricht der Massestrom Verbrennungsgemisch der Summe aus dem Massestrom Verbrennungsluft (Schritt a) und dem Brennstoffmassestrom (Schritt b). Die Dichte des Verbrennungsgemisches kann aus der Idealen Gasgleichung ermittelt werden, wobei eine hierfür benötigte Gaskonstante des Verbrennungsgemisches aus der Gaskonstante der Verbrennungsluft und der Gaskonstante des Brennstoffes entsprechend deren Massenanteilen gebildet werden kann. Eine zur Berechnung notwendige Temperatur des Verbrennungsgemisches und der Umgebungsdruck zur Berechnung der Dichte des Verbrennungsgemisches können mittels Referenzwerten vorgegeben oder gemessen werden.
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Auch dieser Schritt kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät ausgeführt werden, wobei für die Berechnung notwendige Parameter, wie das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis, der Heizwert, die Gaskonstanten von Luft und dem Brennstoff (Wasserstoff) hierfür auf einem Speicher eines Regel- und Steuergerätes hinterlegt sein können.
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Gemäß Schritt e) kann ein Vergleichen der in Schritt c) ermittelten Flammengeschwindigkeit mit der in Schritt d) ermittelten Strömungsgeschwindigkeit erfolgen und ein Betreiben des Heizgerätes mit dem in Schritt b) ermittelten Brennstoffmassestrom, wenn die Flammengeschwindigkeit kleiner der Strömungsgeschwindigkeit ist.
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So besteht eine Idee der Erfindung, dass Flammenrückschläge sehr unwahrscheinlich oder ausgeschlossen sind, wenn die Strömungsgeschwindigkeit beim Austreten des Verbrennungsgemisches am Brenner größer als die Flammengeschwindigkeit ist und so eine Flamme sich nicht in Richtung des Gemischkanals ausbreiten kann. Daher erfolgt ein Vergleich von Flammengeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgemisches und ein Betreiben mit dem in Schritt b) ermittelten Brennstoffmassestrom erfolgt erst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit größer der Flammengeschwindigkeit ist. Dann fährt das Heizgerät den neuen Modulationspunkt mit dem ermittelten Brennstoffmassestrom an, wobei durch das vorgeschlagene Verfahren ein Auftreten eines Flammenrückschlages sicher verhindert wurde.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann zur Erhöhung der Sicherheit der Vermeidung von Flammenrückschlägen der Vergleich von Flammengeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit mit einer erhöhten Flammengeschwindigkeit oder einer geminderten Strömungsgeschwindigkeit erfolgen. Als Beispiel könnte der Vergleich mit einer Flammengeschwindigkeit erfolgen, die um 10% erhöht, also mit einem Faktor von 1,1 multipliziert wurde. Vorteilhaft kann so der Einfluss von Ungenauigkeiten der Berechnungen, Bauteiltoleranzen und ähnlichem gemindert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann, für den Fall, dass der Vergleich von Flammengeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit des Massestromes Verbrennungsgemisches ergibt, dass die Flammengeschwindigkeit größer der Strömungsgeschwindigkeit ist, die Durchführung der Schritte c) bis e) wiederholt werden. Bei jeder Wiederholung kann dabei der in Schritt b) ermittelte Brennstoffmassestrom reduziert und/ oder der Massestrom Verbrennungsluft erhöht werden, bis bei dem Vergleich gemäß Schritt e) die Strömungsgeschwindigkeit größer der Flammengeschwindigkeit ist. Insofern kann bei einer Wiederholung in Schritt b) ein Ermitteln eines Brennstoffmassestromes durch ein Reduzieren des vorhergehenden Brennstoffmassestromes erfolgen und/ oder durch ein Ermitteln eines Brennstoffmassestromes für einen erhöhten Massestrom Verbrennungsluft (der in Schritt a) erfasst worden sein kann). Das Reduzieren des Brennstoffmassestromes und/ oder das Erhöhen des Massestromes Verbrennungsluft kann dabei schrittweise vorgenommen werden, beispielsweise kann ein Erhöhen bzw. Reduzieren bei jeder Wiederholung um 2, 5 oder 10% [Prozent] erfolgen. Sollte trotz mehrmaliger Durchläufe der Schritte c) bis e) des Verfahrens mit reduziertem Brennstoffmassestrom und/ oder erhöhtem Massestrom Verbrennungsluft keine Flammengeschwindigkeit ermittelt werden, die kleiner der Strömungsgeschwindigkeit ist, kann das Heizgerät die Verfahrensdurchführung beenden, sich abschalten und/oder eine Fehlermeldung ausgeben. Dies kann insbesondere erfolgen, wenn durch die mehrmalige Reduktion des Brennstoffmassestromes und/ oder eine (mehrmalige) Erhöhung des Massestromes Verbrennungsluft sich ein kritisches Verbrennungsluftverhältnis einstellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann, wenn in Schritt e) eine Strömungsgeschwindigkeit größer der Flammengeschwindigkeit festgestellt wird, für den entsprechenden Brennstoffmassestrom eine Gasventilmotorposition am Gasregelventil ermittelt und am Gasregelventil entsprechend eingestellt werden.
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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 (des Heizgerätes oder einer Komponente davon), 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.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Regel- und Steuergerät für ein Heizgerät oder auch einen Brennstoffdurchflussregler 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 Parameter für in Schritt c) und d) durchzuführende Berechnungen oder Kenndaten hinterlegt sein.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Brennstoffdurchflussregler vorgeschlagen, aufweisend ein hier vorgeschlagenes Regel- und Steuergerät.
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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 der Brenner zugeführt werden kann. Das Heizgerät kann insbesondere einen Brennstoffdurchflussregler umfassen und eine Regelung der Gemischzusammensetzung von Brenngas und Verbrennungsluft (Verbrennungsluftverhältnis) unter Einbeziehung eines Signals einer Flammenüberwachung aufweisen.
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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 dem Brennstoffdurchflussregler auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Hier werden somit ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, ein Brennstoffdurchflussregler und ein Heizgerät angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren, das Computerprogramm, das Regel- und Steuergerät, der Brennstoffdurchflussregler und das Heizgerät zumindest dazu bei, das Auftreten von Flammenrückschlägen wirkungsvoll zu verhindern.
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Zudem erfordert die Erfindung keine baulichen Veränderungen an einem Heizgerät. Das vorgestellte Verfahren ist vorteilhaft vollständig automatisiert und kann beispielsweise auf einem Regel- und Steuergerät durchgeführt werden. Auch eine Nachrüstung an bestehenden Heizgeräten erscheint problemlos möglich.
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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 vorgeschlagenen Verfahrens, und
- 2: ein hier vorgeschlagenes Heizgerät.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch einen in Blöcken 14 bis 21 dargestellten Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient einem Betreiben eines Heizgerätes 1, bei dem ein Auftreten von Flammenrückschlägen weitestgehend vollständig verhindert werden kann.
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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 eine als Gebläse ausgebildete Fördereinrichtung 2 angesaugt und mittels eines Massestromsensors 13 der angesaugte Massestrom Verbrennungsluft ermittelt werden. Mittels eines Brennstoffdurchflussreglers 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 vorgeschlagenen 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 eine, beispielsweise als Flammentemperatursensor ausgebildete Flammenüberwachung 6 derart angeordnet sein, dass eine Flammentemperatur am Brenner 3 erfasst werden kann.
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Ein Regel- und Steuergerät 7 kann zur Regelung des Heizgerätes 1 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses zumindest mit der Flammenüberwachung 6, der Fördereinrichtung 2, dem Massestromsensor 13 und dem Brennstoffdurchflussregler 5 elektrisch verbunden sein.
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Gemäß 1 kann eine Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens durch eine Modulation in Block 14 des Heizgerätes 1, also einer Leistungsänderung, die von der Regelung bzw. dem Regel- und Steuergerät 7 des Heizgerätes 1 aufgrund einer geänderten Wärmeanforderung, initiiert werden. Die Modulation 14 kann eine Änderung der Leistung des Heizgerätes 1 durch eine Änderung des von der Fördereinrichtung 2 geförderten Massestromes Verbrennungsluft steuern.
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Anschließend kann in Block 15 ein Erfassen des Massestrom Verbrennungsluft 15 gemäß Schritt a) erfolgen. Hierfür kann insbesondere ein Signal des Massestromsensors 13 in der Zuführung Verbrennungsluft 4 herangezogen werden.
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In Block 16 kann ein Ermitteln des Brennstoffmassenstromes für den in Schritt a) (Block 15) erfassten Massestrom Verbrennungsluft erfolgen. Hierzu kann dem (in Schritt a)) erfassten Massestrom Verbrennungsluft ein einem gewünschten Betriebspunkt entsprechender Brennstoffmassestrom zugeordnet werden.
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In Block 18 kann gemäß Schritt c) eine Flammengeschwindigkeit eines Brennstoff-Luftgemisches, gebildet aus dem in Schritt a) (Block 15) erfassten Massestrom Verbrennungsluft und des in Schritt b) (Block 16) ermittelten Brennstoffmassestromes, ermittelt werden. Hierzu kann ein in Block 17 ermitteltes Verbrennungsluftverhältnis des Brennstoff-Luftgemisches herangezogen werden und mit diesem, mithilfe von Kenndaten 23, die auf dem Regel- und Steuergerät 7 hinterlegt sein können, für das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis und den eingesetzten Brennstoff eine Flammengeschwindigkeit ermittelt werden.
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Insbesondere gleichzeitig zu dem Ermitteln der Flammengeschwindigkeit (bzw. des Verbrennungsluftverhältnisses) kann in Block 19 (Schritt d)) eine Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches am Brenner 3 des Heizgerätes 1 ermittelt werden. Dies kann erfolgen, indem der zum Austreten des Brennstoff-Luftgemisches am Brenner 3 zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt anhand von Daten zur Brennergeometrie 24 ermittelt wird. Insbesondre können die Daten der Brennergeometrie eine bekannte Anzahl von Austrittslöchern eines Lochbleches des Brenners 3 und deren bekannter Durchmesser oder deren bekannte Austrittsfläche umfassen.
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In Block 20 kann nunmehr gemäß Schritt e) ein Vergleichen der in Block 18 (Schritt c)) ermittelten Flammengeschwindigkeit mit der in Block 19 (Schritt d)) ermittelten Strömungsgeschwindigkeit erfolgen. Wird bei dem Vergleich in Block 19 festgestellt, dass die Flammengeschwindigkeit kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit ist kann der Brennstoffmassestrom in Block 21 zur Berechnung einer Öffnungsposition des Gasregelventils übermittelt werden und somit ein Betreiben des Heizgerätes 1 mit diesem Brennstoffmassestrom initiieren. Durch die Prüfung, ob die Flammengeschwindigkeit geringer als die Strömungsgeschwindigkeit ist, kann sichergestellt werden, dass die Flamme nicht in den Brenner 3 eindringen kann, und so ein Flammenrückschlag ausgeschlossen werden.
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Sollte bei der dem Vergleich von Flammengeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit (Schritt e)) in Block 20 festgestellt werden, dass die Flammengeschwindigkeit größer der Strömungsgeschwindigkeit ist, können die Schritte c) bis e) (Blöcke 17, 18, 19 und 20) wiederholt werden, wobei der zuvor Brennstoffmassestrom gegenüber der vorherigen Durchführung in Block 22 gemindert wird. Hierbei kann der Brennstoffmassestrom beispielsweise um 10 % gemindert werden. Ein Betreiben des Heizgerätes 1 kann erst erfolgen, wenn durch wiederkehrende Reduktion und Wiederholung der Schritte c) bis e) ein Brennstoffmassestrom gefunden ist, der eine Flammengeschwindigkeit unterhalb der Strömungsgeschwindigkeit des resultierenden Brennstoff-Luftgemisches einstellt. So kann eine dem gewünschten Betriebspunkt weitestgehend entsprechender Brennstoffmassestrom eingestellt werden, bei dem ein Auftreten eines Flammenrückschlages ausgeschlossen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Fördereinrichtung
- 3
- Brenner
- 4
- Zuführung Verbrennungsluft
- 5
- Brennstoffdurchflussregler
- 6
- Flammenüberwachung
- 7
- Regel- und Steuergerät
- 8
- Brennkammer
- 9
- Abgasrohr
- 10
- Abgasanlage
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Gemischkanal
- 13
- Massestromsensor
- 14
- Modulation Heizgerät
- 15
- Erfassen Massestrom Verbrennungsluft
- 16
- Ermitteln Brennstoffmassestrom
- 17
- Berechnung Verbrennungsluftverhältnis
- 18
- Ermitteln Flammengeschwindigkeit
- 19
- Ermitteln Strömungsgeschwindigkeit
- 20
- Vergleich Flammengeschwindigkeit mit Strömungsgeschwindigkeit
- 21
- Übermitteln Brennstoffmassestrom
- 22
- Mindern Brennstoffmassestrom
- 23
- Kenndaten
- 24
- Brennergeometrie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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