DE10258187B4 - Verfahren zum Überwachen und Erkennen eines Betriebszustands bei Brennwertheizgeräten - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Überwachen und Erkennen eines Betriebszustands bei Brennwertheizgeräten, insbesondere Öl- oder Gasbrennwertheizgeräten, wobei ein Flammenionisationsstrom mittels einer Elektrode im Flammenbereich des Brennwertheizgeräts erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand ein Verschmutzungs- und/oder Verstopfungzustand von Siphon(en) bei Brennwertheizgeräten ist und der Flammenionisationsstrom als charakteristische Kenngröße für, aus Verschmutzungs- und/oder Verstopfungszuständen des Siphons resultierenden, Verbrennungsschwingungen gemessen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Erkennen eines Betriebszustands bei Brennwertheizgeräten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 199 32 546 A1 bekannt ist.
• Dort wird eine Sonde aus elektrisch leitendem Material verwendet, das in Abhängigkeit von einem Aufprall von Ionen oder Elektronen aus dem Plasma der Flamme ohne Anlegen einer äußeren Spannung von selbst ein Potential annimmt. Die Sonde ist in einer Flammenzone innerhalb einer Brennergehäuses angeordnet und dient einem Erfassen eines Verbrennungszustands eines Gas-Luft-Gemisches durch eine Auswertung des Sondenpotentials. Ein Rückschluß auf einen Verschmutzungs- und/oder Verstopfungszustand ist mit dortiger Sonde jedoch nicht möglich.
• Brennwertheizgeräte werden in vielfachen Ausführungsformen und für zahlreiche Verwendungen eingesetzt. So existieren neben Öl- und Gasstandheizkesseln auch wandhängende, konstruktiv an die Anbringung an einer Wand angepasste Brennwertheizgeräte. Sie dienen neben anderen Anwendungen hauptsächlich als Wärmeerzeuger und zum Bereitstellen von Warmwasser.
• Die genannten Brennwertheizgeräte und insbesondere Gasbrennwertgeräte verfügen über einen Siphon, der das bei der Verbrennung entstehende kondensierte Wasser aus der Brennkammer abführen und gleichzeitig die Brennkammer gegenüber der Umgebung gasdicht abschließen soll, damit kein Abgas in den Aufstellungsraum austreten kann.
• Darüber hinaus dient der Siphon als Sammelbehälter für feste Partikel, die im Laufe des Betriebs aus dem Bereich der Brennkammer herausgewaschen werden. Wenn die im Siphon sedimentierten Partikel nicht in regelmäßigen Abständen durch den Betreiber oder Wartungsservice entnommen werden, kann dies zu einer Verstopfung des Siphons führen.
• Als direkte Folge der Siphonverstopfung wird die Kondensatabführung aus der Brennkammer behindert, so dass das kondensierte Wasser in der Brennkammer ansteigt und je nach Konstruktion nach und nach den Abgasweg des Brennwertgeräts verschließt.
• Aufgrund des dadurch im Abgasweg erzeugten Druckverlusts nimmt eine Förderrate eines Gasgebläses ab. Bei Gasbrennwertgeräten mit einem pneumatischen Druck/Luft-Verbund kann die Förderrate dabei so weit abnehmen, dass aufgrund einer pneumatischen Kupplung der erforderliche Mindest-Steuerdruck einer Gasregelarmatur unterschritten wird und somit eine saubere Verbrennung nicht mehr gewährleistet ist.
• Zur Vermeidung dieses Betriebszustandes wird in Brennwertgeräten mit pneumatischem Gas/Luft-Verbund in der Regel ein als Schalter ausgeführter Differenzdruckwächter eingesetzt, der bei Unterschreiten einer Mindest-Förderrate über eine Regelung eine Störabschaltung hervorruft.
• Noch vor einer solchen Störabschaltung kann jedoch ein undefinierter Betriebszustand entstehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass bei dem Abgas durch angestautes Kondensat ein Gegendruck aufgebaut wird, der sich durch ein Passieren einzelner Abgasblasen wieder entlädt. Dies verursacht periodische Schwingungen der Förderrate des Gasgebläses, die wiederum Verbrennungsschwingungen und hohe CO-Emissionen zur Folge haben.
• Die Erkennung eines derartigen Betriebszustandes ist mit den zuvor genannten Differenzdruckwächtern nicht möglich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen und Erkennen von Betriebszuständen von Brennwertheizgeräten zur Verfügung zu stellen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und eine frühzeitige Reaktion auf suboptimale Verbrennungszustände ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.
• Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen und Erkennen eines Betriebszustands bei Brennwertheizgeräten, insbesondere Öl- oder Gasbrennwertheizgeräten, gelöst, wobei ein Flammenionisationsstrom mittels einer Elektrode im Flammenbereich des Brennwertheizgeräts erfasst wird und der Betriebszustand ein Verschmutzungs- und/oder Verstopfungszustand von Siphonen bei Brennwertheizgeräten ist und wobei der Flammenionisationsstrom als charakteristische Kenngröße für, aus Verschmutzungs- und/oder Verstopfungszuständen des Siphons resultierenden, Verbrennungsschwingungen gemessen wird, die ihrerseits zu Flammenionisationsstromschwingungen führen.
• Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, dass ein in einem Flammenbereich eines Brennwertheizgerätes gemessener Flammenionisationsstrom eine charakteristische Kenngröße für einen bestimmten Verbrennungszustand darstellt. Anhand des Absolutwertes oder eines zeitlichen Verlaufs des Flammenionisationsstroms kann dieser Verbrennungszustand hinsichtlich eines optimalen Verbrennungsprozesses beurteilt werden. Ebenso ist es möglich, anhand des Ionisationsstroms zu erkennen, ob der Verbrennungsprozeß in Richtung unerwünschter Betriebszustände verläuft.
• Ein derartiger unerwünschter Betriebszustand besteht beispielsweise dann, wenn Verbrennungsschwingungen auftreten, d.h. periodische oder aperiodische Verbrennungszustände eintreten, die durch Druckschwankungen im Frischgas-, Zuluft- oder im Abgasstrom auftreten.
• Da solche Druckschwankungen das Resultat vorgenannter unerwünschter Betriebszustände sein können, stellt die Messung des Flammenionisationsstroms ein direktes Maß für das Auftreten dieser Betriebszustände zur Verfügung.
• Da eine Flammenionisationsstrommessung jederzeit und verzögerungsfrei durchgeführt werden kann, besteht der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass unmittelbar bei Auftreten eines außergewöhnlichen, d.h. unerwünschten Flammenionisationsstroms und damit unerwünschten Betriebszustands des Verbrennungsprozesses eine anwender- oder steuerungsseitige Reaktion möglich ist. Derartige Reaktionen werden in aller Regel innerhalb eines Regelkreises verarbeitet, der versucht, den ursprünglichen, optimalen Betriebszustand wieder herzustellen, und, sofern dies nicht möglich ist, eine Störabschaltung vornimmt.
• Um eine Reaktionsgeschwindigkeit durch eine gezielte Erfassung des Flammenionisationsstroms und eine unmittelbare Charakterisierung eines dazugehörigen Betriebszustandes weiter zu beschleunigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für die zu überwachenden Brennwertheizgeräte eine Eichkurve aufzustellen, wobei standardisierte Brennwertheizgeräte anhand von standardisierten Eichkurven überwacht werden können.
• Es sei jedoch betont, dass eine effektive Überwachung des Betriebszustands eines Brennwertheizgerätes auch ohne Eichkurve erfolgen kann; in diesem Fall wird ein Maß einer Abweichung von einem Sollwert, der während eines optimalen Verbrennungsprozesses gemessen wird, als Auslöser für eine Regel-Reaktion und bei Überschreiten eines festlegbaren Schwellenwertes für eine Störabschaltung herangezogen.
• Die Messung des Flammenionisationsstroms kann periodisch erfolgen. Es wird jedoch erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Flammenionisationsstrommessung kontinuierlich durchzuführen. Auf diese Weise ist eine lückenlose Überwachung der Betriebszustände des zu überwachenden Brennwertheizgerätes gegeben und eine Früherkennung unerwünschter Betriebszustände bestmöglich gewährleistet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine zeitliche Änderung des Flammenionisationsstroms gemessen und aufgezeichnet.
• Auf diese Weise ist es möglich, durch einen ständigen Vergleich der Ist- mit den Soll-Werten unmittelbar Rückschlüsse auf ein Abdriften des Verbrennungsprozesses in Richtung unerwünschter Betriebszustände zu beurteilen.
• Ein Verschmutzungs- und/oder Verstopfungszustand eines Siphons eines Brennwertheizgeräts zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass der Flammenionisationsstrom mit zunehmender Verschmutzung stark abfällt und sich einem sehr niedrigen Niveau nähert, das charakteristisch für eine starke CO-Entwicklung während des Verbrennungsprozesses ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Amplitude des Flammenionisationsstroms bzw. der Flammenionisationsschwingungen und/oder der zeitlichen Änderung des Flammenionisationsstroms und/oder eine Frequenz zeitlicher Änderungen des Flammenionisationsstroms gemessen.
• Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass durch ein Messen der Amplitude und Frequenz der Flammenionisationsschwingungen eine genaue Ist-Soll-Differenz erfassbar ist. Somit ist, insbesondere auch bei periodischen oder aperiodischen Einzelmessungen, auf einfache Weise erfassbar, ob ein Verbrennungsprozeß sich innerhalb vorgegebener Betriebsparameter bewegt oder nicht.
• Für eine Präzisierung dieses Messverfahrens wird erfindungsgemäß die Amplitude der zeitlichen Änderung(en) des Flammenionisationsstroms gemessen. Auf diese Weise ist, insbesondere unter Zugrundelegung eines Grenzwerts und/oder einer Eichkurve, unmittelbar eine Vorhersage einer weiteren Entwicklung des Verbrennungsprozesses möglich. Solange sich der Verbrennungsprozeß innerhalb eines vorgegebenen optimalen Betriebszustandes befindet, ist die Amplitude der Flammenionisationsschwingungen nämlich sehr gering. Sobald sich ein unerwünschter Betriebszustand andeutet, vergrößert sich die Amplitude schnell bis sprunghaft und verbleibt im weiteren Verlauf des unerwünschten Betriebszustandes gegenüber einem optimalen Verbrennungszustand überdurchschnittlich hoch. Diese Amplitudenvergrößerung überlagert sich einem verschmutzungs- und/oder verstopfungsbedingten Siphonzustand.
• Weiterhin nimmt die Häufigkeit zeitlicher Änderungen des Flammenionisationsstroms bei Eintreten eines unerwünschten Betriebszustands zu. Auch hierdurch ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise eine Prognose für den weiteren Verlauf des Verbrennungsprozesses möglich.
• Anhand der Messung der Frequenz der zeitlichen Änderungen des Flammenionisationsstroms ist es möglich, eine Änderungsrate des Flammenionisationsstroms, beispielsweise von einem unerwünschten Zustand zu einem weiteren unerwünschten Zustand zu bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich, bestimmte Verschmutzungs- und/oder Verstopfungscharakteristika zu bewerten. So resultiert beispielsweise das Passieren einzel ner Abgasblasen durch ein angestautes Kondensat hindurch in einem wiederkehrenden Abfallen und Ansteigen des Flammenionisationsstroms.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Störabschaltung durchgeführt, wenn ein oder mehrere Charakteristika einer oder mehrerer Flammenionisationsstrommessung(en) einem, einem Verstopfungszustand zuordenbaren, Verbrennungsschwingungszustand entsprechen. Ein solcher Zustand ist beispielsweise der zuvor beschriebene, bei dem durch angestautes Kondensat und daran anstehendes Abgas ein Druck aufgebaut wird, der sich durch ein spontanes Passieren von Abgasblasen durch das Kondensat hindurch entlädt.
• Zusammenfassend sei erwähnt, dass die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Überwachung und Erkennung von Betriebszuständen bei Brennwertheizgeräten darin bestehen, dass zum einen Verbrennungsschwingungen und damit verbundene CO-Emissionen durch eine frühzeitige Erkennung einer Verschmutzung und/oder einer Verstopfung des Siphons vermieden werden können. Des weiteren können zusätzliche Sicherheitseinrichtungen, wie z.B. vorgenannte Differenzdruckwächter entfallen. Darüber hinaus wird selbstverständlich auch ein Erlöschen der Flamme durch eine erfindungsgemäße Flammenionisationsstrommessung registriert, wobei entsprechende Sicherheitsvorkehrungen zur Vermeidung von, beispielsweise Gasaustritt, eingeleitet werden können.
• Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der Abbildung näher erläutert wird. Hierbei zeigt:
• 1 ein Diagramm, das eine Veränderung des Flammenionisationsstroms bei einem zunehmenden Kondensatstau in der Brennkammer infolge einer Siphonverstopfung wiedergibt.
• 1 zeigt ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung eines Flammenionisationsstroms bei einem zunehmenden Kondensatstau in der Brennkammer infolge einer Siphonver stopfung wiedergibt. Der Änderung des Ionisationsstroms entspricht eine Abnahme der Belastung bzw. des Wirkungsgrades der Brennwertkammer sowie ein Anstieg einer CO-Entwicklung.
• Wie zu erkennen ist, spiegelt der Ionisationsstrom links im Bild den Betriebszustand eines optimalen Verbrennungsprozesses wieder, der sich entlang der Zeitachse zunehmend negativ entwickelt. Zunächst weist der Ionisationsstrom einen hohen Wert auf, der durch eine hohe Verbrennungstemperatur bedingt ist. Die Amplitude der Flammenionisationsschwingungen sowie deren Änderungsraten sind gering. Im weiteren Verlauf füllt sich der Siphon zunehmend mit Kondensat und verstopft schließlich vollständig. Dies spiegelt sich in 1 dadurch wieder, dass die Amplituden der Flammenionisationsschwingungen mit der Zeit stark zunehmen, wobei der Absolutwert des Flammenionisationsstroms mit zunehmender Geschwindigkeit stark abnimmt. Diese Abnahme des Flammenionisations ist von einer, innerhalb des maximalen Flammenionisationsstromabfalls, zunehmend größer werdenden Amplitudenerhöhung überlagert. Darüber hinaus nimmt die zeitliche Änderung der von einem Soll-Wert abweichenden Werte während des unerwünschten Betriebszustandes stark zu.
• An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in der Zeichnung dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

Claims (6)

1. Verfahren zum Überwachen und Erkennen eines Betriebszustands bei Brennwertheizgeräten, insbesondere Öl- oder Gasbrennwertheizgeräten, wobei ein Flammenionisationsstrom mittels einer Elektrode im Flammenbereich des Brennwertheizgeräts erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand ein Verschmutzungs- und/oder Verstopfungzustand von Siphon(en) bei Brennwertheizgeräten ist und der Flammenionisationsstrom als charakteristische Kenngröße für, aus Verschmutzungs- und/oder Verstopfungszuständen des Siphons resultierenden, Verbrennungsschwingungen gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenionisationsstrom kontinuierlich gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitliche Änderung des Flammenionisationsstroms gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Amplitude des Flammenionisationsstroms und/oder der zeitlichen Änderungen des Flammenionisationsstroms und/oder eine Frequenz der zeitlichen Änderungen des Flammenionisationsstroms gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störabschaltung durchgeführt wird, wenn ein oder mehrere Charakteristika zumindest einer Flammenionisationsstrommessung einem, einem Verstopfungszustand zuordenbaren, Verbrennungsschwingungszustand entsprechen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenionisationsstrom gemessen und ausgewertet und bei Erreichen eines vorgebbaren Grenzwerts die Störabschaltung durchgeführt wird.