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Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit einem Brenner, der an eine Brennstoff- und eine Verbrennungsluftleitung angeschlossen ist und mit mindestens einem Sensor, der in der Flamme eine dem Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis analoge Verbrennungseigenschaft messtechnisch erfasst, dass die Messwerte des Sensors einer Auswerte-/Regeleinrichtung zugeführt werden, welche das Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis des Brenners einstellt oder regelt, insbesondere zum Beheizen eines Ofenraums eines Industrieofens.
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Aus der
DE 101 44 472 A1 ist ein atmosphärischer Brenner bekannt, bei dem ein Brennstoffstrahl in ein Mischrohr eingedüst und dabei Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt wird. Mittels einer zweiten Brennstoffdüse wird ein zweiter Brennstoffstrom in das Brennstoff-/Verbrennungsluftgemisch stromab des Eintritts des Mischrohres eingebracht, um das Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu steuern oder konstant zu halten.
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Aus der
DE 100 30 063 A1 kann ein Regelverfahren für Gasbrenner zur Bereitstellung eines Gas/Luftgemisches entnommen werden, wobei ein Sensorsignal verwendet wird, um das Gas zu bestimmten Zeitpunkten an unterschiedliche Gasqualitäten anzupassen. Hierdurch soll bewirkt werden, dass Altersprozesse des Sensors die Regelung nicht negativ beeinflussen
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Für viele industrielle Feuerungsprozesse werden Diffusionsbrenner eingesetzt, die insbesondere mit Erdgas betrieben werden. Bei Diffusionsbrenner werden Brennstoff und Verbrennungsluft nicht vorgemischt, sondern erst im Ofenraum zusammengeführt. Bei industriellen Feuerungsprozessen, bei denen mittels der erzeugten Wärme die Eigenschaften von Werkstücken gezielt beeinflusst bzw. verändert werden, insbesondere in der Stahl-, Glas- und Keramikindustrie, müssen aus Fertigungs- und Qualitätsgründen die Brenner stets mit der optimalen Einstellung des Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnisses bzw. der Prozessluftzahl betrieben werden. Die Prozessluftzahl ist das Verhältnis von zugeführtem Brennstoff zu zugeführter Verbrennungsluft. Hinzu kommt die Forderung nach wirtschaftlicher und umweltschonender Energienutzung.
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Die öffentliche Erdgasversorgung arbeitet mit einem Leitungsnetz, das über eine Vielzahl von Einspeisestellen verfügt. Da Erdgas als Naturprodukt wechselnde Zusammensetzungen aufweist, werden Erdgase mit unterschiedlicher Beschaffenheit, bzw. Zusammensetzung und Heizwerten in das Netz eingeleitet.
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Dies führt bei Gasbrennern zu einer Änderung des Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnisses bzw. der Prozessluftzahl mit der Folge, dass die Verbrennung nicht optimal ist. Bei Diffusionsbrenner ist die Einstellung oder Regelung des Brennstoff-/Luftverhältnisses, d. h. der Prozessluftzahl mit Hilfe eines Sensors, der in der Flamme oder im Abgas eine zur Luftzahl analoge Verbrennungseigenschaft erfasst, nicht beziehungsweise nur sehr begrenzt möglich, da die Luftzahlen in der Flamme eines Diffusionsbrenners in einem extrem großen Bereich schwanken.
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Ein Wechsel der Gasbeschaffenheit bzw. der Gasart oder verschiedene Betriebsbedingungen können bei Diffusionsbrennern zu unerwünschten Einflüssen auf den Feuerungsprozess führen; es ändert sich nicht nur die Luftzahl, sondern auch die in den Ofenraum eingebrachte thermische Leistung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäss darin, eine Brenneranordnung, insbesondere zum Beheizen eines Ofenraums eines Industrieofens mit einem Diffusionsbrenner zu schaffen, bei der es möglich ist, das Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis und die in den Ofenraum eingebrachte thermische Leistung bei Änderung der Art bzw. Beschaffenheit des Brennstoffes und/oder bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu regeln oder konstant zu halten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Brenneranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Sensor der Brenneroberfläche eines als vollvormischender Flächenbrenner ausgebildeten Hilfsbrenners zugeordnet ist, dem ein Brennstoff- und ein Verbrennungsluft- Teilstrom über Abzweigleitungen zugeführt werden, die an die Brennstoff- und die Luftleitung angeschlossen sind und dass dem Verbrennungsluft-Teilstrom eine Schwingung in der Abzweigleitung mittels eines ansteuerbaren Ventils (14) oder einer rotierenden Drosselklappe aufgeprägt wird.
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Ein Gasbrenner, der einen Haupt- und einen Hilfsbrenner aufweist, ist grundsätzlich aus der
DE 29 17 584 C2 bekannt. Allerdings soll mit dem bekannten Brenner ein Sicherheitsproblem gelöst werden, das mit der hier zu lösenden Aufgabe keine Gemeinsamkeiten aufweist.
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Wenn dem Hilfsbrenner Teilmengen von Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden, die proportional zu den Haupt-Mengen von Brennstoff und Verbrennungsluft, kann aufgrund der Ermittlung des Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnisses am Hilfsbrenner auf das Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis am Haupt-Brenner geschlossen werden. Mittels der messtechnischen Erfassung der Luftzahl des Hilfsbrenners wird ein Signal erzeugt, welches dazu dient, die Prozessluftzahl des Haupt-Brenners einzustellen oder zu regeln.
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Bei einem Wechsel der Brennstoffart bzw. Beschaffenheit und/oder bei wechselnden Betriebsbedingungen können sich bei vormischenden Flächenbrennern die Flammenform und/oder deren Position in Bezug auf die Brenneroberfläche ändern. So kann es bei einem Gasbrenner bei einem Gaswechsel zu einem niederkalorischen Gas zu einem Abheben der Flammen von der Brenneroberfläche kommen. Aufgrund der Schwingung, die dem Verbrennungsluft-Teilstrom aufgeprägt wird, oszilliert die Luftzahl in einem bestimmten Bereich um den stöchiometrischen Bereich. Durch die Schwingung bewegt sich die Flammenzone am Sensor vorbei. Die Frequenz und die Amplitude der Schwingung des Verbrennungsluft-Teilstroms werden so eingestellt, dass die Verbrennungseigenschaft genau und zuverlässig erfasst werden kann. Damit ist eine stetige dynamische Überwachung der Verbrennung gewährleistet. Ferner können Störungen einfacher erfasst und kompensiert werden.
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Dem Hilfsbrenner werden der Brennstoff- und der Verbrennungsluft-Teilstrom über Abzweigleitungen zugeführt, welche an die Brennstoff- und die Verbrennungsluftleitung angeschlossen sind. Das Verhältnis der Drücke in Brennstoffleitung und der Abzweigleitung für den Brennstoff-Teilstrom bestimmen das Verhältnis der Volumenströme. Gleiches gilt für die Verbrennungsluftleitung und die entsprechende Abzweigleitung.
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Dem Verbrennungsluft-Teilstrom wird die Schwingung mittels eines ansteuerbaren Ventils in der Abzweigleitung aufgeprägt. Es muss ein Ventil mit einer einem Steuer- oder Regelsignal proportionalen Öffnungs- bzw. Schließcharakteristik verwendet werden. Bei derartigen Ventilen ist die Größe der Durchtrittsöffnung des Ventils proportional zu der Größe eines Steuer- oder Regelsignals.
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Alternativ ist es möglich, dem Verbrennungsluft-Teilstrom die Schwingung mittels einer rotierenden Drosselklappe in der Abzweigleitung aufzuprägen.
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Vorzugsweise ist der Sensor als Ionisationsstromelektrode ausgebildet. Es wird im Flammenbereich ein Ionisationsstrom gemessen, aus dem ein Signal in Abhängigkeit von der Luftzahl abgeleitet wird. Dieses Signal wird in einer Auswerte-/Regeleinrichtung mit einem eingestellten Sollwert verglichen und die Zusammensetzung des Brennstoff-/Verbrennungsluft-Gemisches des Haupt-Brenners wird – falls erforderlich – angepasst.
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Der Sensor kann als an sich bekannte Ionisationselektrode ausgebildet sein. Aus der
DE 44 33 425 A1 ist eine Ionisationselektrode bekannt, bei der das gelieferte Signal aufbereitet und ausgewertet wird, um eine Aussage über die Luftzahl zu liefern.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist der Brenneroberfläche des Hilfsbrenners mindestens ein zweiter Sensor zugeordnet, wobei der zweite Sensor die Flammentemperatur erfasst. Auf diese Weise ist das Temperaturniveau oder ein Temperaturgradient bestimmbar, was Rückschlüsse auf Energieeintrag in den Ofenraum und die Flammengeschwindigkeit ermöglicht.
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Weiterhin ist die Brenneranordnung dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Sensoren zum Erfassen einer dem Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis analogen Verbrennungseigenschaft und/oder zum Erfassen der Flammentemperatur mit Abstand zueinander und/oder in einem definierten Abstand zur Brenneroberfläche des Hilfsbrenners angeordnet sind.
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Die Verbrennung am Hilfsbrenner findet im wesentlichen in einer geschlossenen Brennkammer statt, die sich an die Brenneroberfläche des Hilfsbrenners anschließt. Auf diese Weise wird verhindert, dass Sekundärluft die Verbrennung am Hilfsbrenner beeinflusst.
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Vorzugsweise erfolgt die Steuerung des Brennstoff- und des Verbrennungsluft-Teilstromes zu dem Hilfsbrenner mittels je eines Regelventils in der Abzweigleitung für den Brennstoff- und den Verbrennungsluft Teilstrom.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung naher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung;
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Ein Brenner 1 ist als Diffusionsbrenner ausgebildet, der mit Erdgas beheben wird. Dem Diffusionsbrenner 1 werden Erdgas und Verbrennungsluft mittels einer Brenngasleitung 2 und einer Verbrennungsluftleitung 3 zugeführt. In der Brenngasleitung 2 ist ein Regelventil 4 zur Einstellung der Brenngasmenge vorgesehen. Die Verbrennungsluftleitung 3 ist ebenfalls mit einem Regelventil 5 versehen und an ein Gebläse 6 angeschlossen.
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Einem Hilfsbrenner 7 werden eine Brenngas-Teilmenge und eine Verbrennungsluft-Teilmenge über eine Brenngas-Abzweigleitung 8 und eine Verbrennungsluft-Abzweigleitung 9 zugeführt, die von der Brenngasleitung 2 und Verbrennungsluftleitung 3 abzweigen. In der Brenngas-Abzweigleitung 8 befindet sich auf bekannte Art und Weise ein Rückschlagventil 10 und ein Regelventil 11 zur Einstellung der Brenngas-Teilmenge. in der Verbrennungsluft-Abzweigleitung 9 befindet sich ein manuelles und ein elektrisches Regelventil 12, 13 sowie ein ansteuerbares Ventil 14. Mit dem Ventil 14, das proportional zu der Größe eines Steuer- oder Regelsignals einen mehr oder weniger großen Durchtrittsquerschnitt für die Verbrennungsluft freigibt, wird dem Verbrennungsluft-Teilstrom eine Schwingung aufgeprägt.
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Der Hilfsbrenner 7 ist als vollvormischender Flächenbrenner mit einer nicht näher dar gestellten Brenneroberfläche 15 aus beispielsweise porösem Keramikmaterial ausgebildet, Parallel zur Brenneroberfläche 15 erstrecken sich in einem unterschiedlichen Abstand zur Brenneroberfläche zwei Sensoren 16a, 16b, die als Ionisationselektroden ausgebildet sind und die messtechnisch das Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis des Hilfsbrenners erfassen. Die Messwerte werden mittels einer Signalleitung 17 einer Auswerte-/Regeleinheit 18 zugeführt.
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Derartiger Ionisationselektroden, die an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, sind beispielsweise aus der
DE 44 33 425 C2 bekannt Zum verbesserten Auswerten des über die Ionisationselektrode fließenden Stromes wird auf diese eine Wechselspannung aufgeschaltet. Die Ionisationselektroden liefern in Abhängigkeit von dem Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnisses bzw. der Luftzahl Signale, die in der Auswerte/Regeleinheit mit Sollwerten verglichen wird. Die Auswerte-/Regeleinheit liefert in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwert ein Stellsignal, das als Eingangsgröße dem Regelventil
4 in der Brenngasleitung
2 oder dem Regelventil
5 in der Verbrennungsluftleitung
3 über die Signalleitung
17 zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Luftzahl des Diffusionsbrenner
1 geregelt oder konstant gehalten werden.
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Des weiteren sind oberhalb der Brenneroberfläche des Hilfsbrenners zwei Sensoren 19a, 19b zur Erfassung der Flammentemperatur angeordnet Die Temperatur-Sensoren 19a, 19b sind in einem definierten Abstand zueinander angeordnet und weisen unterschiedliche Abstände zur Brenneroberfläche 15 auf. Auf diese Weise ist das Temperaturniveau oder ein Gradient bestimmbar, was Rückschlüsse auf Energieeintrag in den Ofenraum und die Flammengeschwindigkeit ermöglicht. Die Temperaturmesswerte können in der Auswerte-/Regeleinheit mit Sollwerten verglichen werden. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwert kann ein Stellsignal für den Brennstoff und/oder Verbrennungsluftstrom zum Brenner gebildet werden. Die vom Diffusionsbrenner erbrachte thermische Leistung kann mittels der Temperaturmessungen erfasst und bei einem Wechsel der Gasbeschaffenheit oder bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen konstant gehalten werden.
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Aufgrund der Schwingung, die der Verbrennungsluft mittels des Ventils 14 aufgeprägt wird, bewegt sich die Reaktionszone bzw. Flammenzone des Hilfsbrenners 7 an den Sensoren 16, 19 vorbei. Die Frequenz und die Amplitude der Schwingung der Verbrennungsluft sind so eingestellt, dass die Reaktionszone sich an allen Sensor 16, 19 vorbei bewegt. Dies hat den Vorteil, dass eine stetige dynamische Überwachung gewährleistet ist. Ferner können Störungen einfacher erfasst und kompensiert werden.
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An der Brenneroberfläche 15 schließt sich eine nicht dargestellte im wesentlichen geschlossene Brennkammer an. Diese kann beispielsweise aus einem Keramikrohr bestehen.
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Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann die momentane Luftzahl beispielsweise über eine CO-. CO2- oder eine O2-Messung im Flammenbereich bzw. im Abgas ermittelt werden. Vorhandene Brenner können erfindungsgemäß mit einem Hilfsbrenner nachgerüstet werden. Die Brenneroberfläche des Hilfsbrenners kann aus Metall bestehen. Statt eines ansteuerbaren Ventils kann auch eine motorisch angetriebene Drosselklappe oder anderes geeignetes drehendes Bauelement die Schwingung in dem Verbrennungsluft-Teilstrom erzeugen. Alternativ kann ein ansteuerbares Ventil mit einer dem Steuer- oder Regelsignal proportionalen Öffnungs- bzw. Schließcharakteristik verwendet werden.
