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Fotoelektrische Überwachungsvorrichtung für Gasbrenner Die Erfindung
betrifft eine fotoelektrische überwachungsvorrichtung für Gasbrenner, wie sie als
Hauptbrenner oder Zündbrenner für Gasherde, industrielle Öfen od. dgl. verwendet
werden.
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Es ist üblich, die Flamme derartiger Brenner zu überwachen, damit
beim Erlöschen der Flamme sofort die Gaszufuhr unterbrochen wird. Zur Überwachung
werden beispielsweise Thermoelemente verwendet, die mit einem elektromagnetisch
betätigten Zündsicherheitsventil zusammenarbeiten. Derartige Thermoelemente können
jedoch üblicherweise nur bis 400 bis 500'-C verwendet werden. Es sind auch fotoelektrische
Flammenfühler bekannt. Deren Temperaturstabilität reicht aber nur bis etwa 70° C.
Der Schutz gegen höhere Temperatur erforderte bisher erheblichen Aufwand, beispielsweise
ein zusätzliches Loch in der Feuerraumwand, durch das das fotoelektrische Meßglied
auf die Flamme gerichtet war. Störstrahlen, zum Beispiel vom Tageslicht, konnten
das überwachungsergebnis vollständig verfälschen. Deshalb standen einer Anwendung
zur Überwachung offener Flammen, also bei natürlichem oder künstlichem Licht, erhebliche
Schwierigkeiten entgegen. Überdies brennen die meisten Gasflammen mit schwach bläulicher
oder unsichtbarer Flamme, worauf die fotoelektrischen Meßglieder im allgemeinen
überhaupt nicht ansprechen. Schließlich werden die fotoelektrischen Meßglieder auch
leicht durch Staub- oder Bußablagerungen in ihrer Funktionsfähigkeit behindert.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß im Brenner an der der
Gasaustrittsöffnung gegenüberliegenden Seite ein fotoelektrischer Flammenfühler
angeordnet ist, der durch die von der Gasaustrittsöffnung des Brenners herkommende
Strahlung getroffen wird.
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Der foto--lektrische Fühler »sieht<; daher bei einem norrAalen
Gasbrenner die Flamme von hinten durch die Gasaustrittsöffnung hindurch. Der Fühler
befindet sich an einer geschützten Stelle, so daß sich keine Staub- oder Bußablagerungen
bilden können. Die Länge des Brenners gibt auch einen genügenden Abstand von der
Flamme, so daß eine zu hohe Temperatur im Bereich des Fühlers nicht zu befürchten
ist. Überdies bewirkt das Eintreten des Gases eine Kühlung. Bei einem geschlossenen
Feuerungsraum kann der fotoelektrische Fühler außerhalb dieses Feuerraumes liegen,
ohne daß ein zusätzliches Loch in der Wandung vorgesehen werden muß. Das Brennerrohr
schützt auch vor Störstrahlung. Lediglich solche Strahlen. die an der Gasaustrittsseite
parallel zur Brennerwand einfallen. können das fotoelektrische Meßglied beeinflussen.
Es besteht aber keine Schwierigkeit, den Brenner so zu richten, daß keine solcher
Art verlaufenden Störstrahlen vorhanden sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im Bereich
der Flamme ein strahlungsoptischer Wandler angebracht sein, von dem ein Teil der
Ausgangsstrahlung, die sich auf Grund der Licht-und/oder Wärmebeeinflussung durch
die Flamme ändert, den fotoelektrischen Fühler trifft. Mit Hilfe eines solchen strahlungsoptischen
Wandlers ist es mög lich, den Frequenzbereich der Flammenstrahlung in einen anderen
Frequenzbereich zu transformieren, der dem fotoelektrischen Fühler angepaßt ist.
Beispielsweise kann man auf diese Weise eine nur schwach oder nicht sichtbare Gasflamme
für den fotoelektrischen Fühler »sichtbar« machen. Man kann auch den strahlungsoptischen
Wandler so wählen, daß er bei Beeipflussung durch die Flamme seine Strahlung im
wesentlichen auf einem oder mehreren begrenzten Fr.2quenzbändern abgibt, die dem
optimalen spektralen Empfindlichkeitsbereich des Flammenfühlers zugeordnet sind,
um so die Empfindlichkeit des Kontrollsystems heraufzusetzen.
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Des weiteren kann man den in Verlängerung des Brenners angeordneten
strahlungsoptischen Wandler so weit über die Gasaustrittsöffnung des Brenners überstehen
lassen, daß überhaupt keine Störstrahlung den Fühler treffen kann, gleichgültig,
wie die Einbaulage des Brenners ist.
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Unter einem »strahlungsoptischen Wandler« im Sinne der Erfindung werden
alle Einrichtungen verstanden, die auf Grund einer Beeinflussung durch die Flamme
(Licht- oder Wärmebeeinflussung) in der Strahlungsabsorption, Strahlungsreflexion,
Strahlungstransmission
oder Strahlungsemission eine Änderung erfahren,
die das fotoelektrische Meßglied zum Ansprechen bringt. Hierzu gehören Körper, die
bei Flammentemperatur leuchten, infolge der Flammenstrahlung lumineszierende Körper,
von einer gesonderten Lichtquelle bestrahlte, temperaturabhängige Filter, insbesondere
Konversionsfilter, und viele andere mehr. Solche strahlungsoptischen Wandler sind
in Form von Körpern bekannt, die infolge einer Beeinflussung durch die Flamme eine
eigene Lichtstrahlung aussenden.
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Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn der rohrförmige
Brenner an einem Ende gasdicht mit einem fotoelektrischen Fühler abgeschlossen,
am anderen Ende mit einer Düse abgeschlossen und mit einer seitlichen Gaseintrittsöffnung
versehen ist. Die Abdichtung an dem den fotoelektrischen Fühler aufweisenden Ende
kann hierbei mit Hilfe eines speziellen Dichtelements, zum Beispiel in Form einer
Glasscheibe, erfolgen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Brenner
an der Gasaustrittsseite eine Düse aus einem Katalysatormaterial tragen, das einen
hindurchtretenden Gasstrom zu zünden vermag. Derartige Katalysatoren sind an sich
als automatische Zündhilfe bekannt. Die meisten von ihnen geben aber selbst eine
Strahlung ab, die im spektralen Empfindlichkeitsbereich der üblichen fotoelektrischen
Fühler liegt. Sie können also im vorliegenden Fall zusätzlich den strahlungsoptischen
Wandler ersetzen. Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung soll die Düse
und gegebenenfalls auch der Brenner innen eine schwarze Oberfläche besitzen, so
daß Störstrahlen nicht etwa infolge Reflektion durch den Brenner zum fotoelektrischen
Fühler gelangen können.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger
Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigt Fig. 1 einen Brenner
mit nebengeschaltetem Hilfsbrenner, der erfindungsgemäß mit einem fotoelektrischen
Flammenfühler ausgerüstet ist, Fig. 2 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Einzelbrenner
und Fig. 3 schematisch den Aufbau und die Schaltung eines Hauptbrenners mit einem
erfindungsgemäßen Zündbrenner.
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In Fig. 1 ist parallel zu dem Brenner 1 ein Hilfsbrenner 2 geschaltet,
dem Gas aus dem Hauptbrenner über die Abzweigleitung 3 zugeführt wird. Am Brenner
1 brennt die Flamme 4, am Hilfsbrenner 2 die Hilfsflamme 5. Hierbei ist es für das
Prinzip der Erfindung unerheblich, ob ein Hauptbrenner 1 mit einem Zündbrenner 2,
beispielsweise bei einem Gasherd, zusammengeschaltet ist oder ob ein Pilotbrenner
1 mit einem Bypaß-Brenner 2 für eine relativ große Feuerung veranschaulicht ist.
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Der Hilfsbrenner 2 besteht aus einem Rohr 6, das am unteren Ende gasdicht
mittels des fotoelektrischen Fühlers 7 abgeschlossen ist, der über die Leitung 8
zu einem nicht veranschaulichten Steuerorgan führt. Dieses Steuerorgan liefert dann
seinerseits in Abhängigkeit vom Vorhandensein der Flammen einen Schaltbefehl, zum
Beispiel an ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, das in der nicht veranschaulichten
Gashauptleitung sitzt. Das Rohr 6 ist am oberen Ende mit einer Düse 9 versehen,
die an der Innenseite vorzugsweise eine schwarze Oberfläche trägt, so daß hier keine
Reflektionen entstehen. Im Bereich der Hilfsflamme 5 ist ein strahlungsoptischer
Wandler 10 angebracht, der über einen Haltebügel 11 auswechsel-und
verstellbar am Rohr 6 montiert ist.
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Sobald die Flammen 4 und/oder 5 brennen, wird der strahlungsoptische
Wandler 10 erregt und vermag durch die Gasaustrittsöffnung 12 der Düse 9 den fotoelektrischen
Fühler 7 zu beeinflussen, wie es durch die gestrichelte Linie 13 gekennzeichnet
ist.
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Es ist ersichtlich, daß der Flammenfühler 7 durch die Länge des Brennerrohres
6 gut gegen eine Beeinflussung durch die Wärme der Flamme 5 geschützt ist. Ferner
liegt er in einem von Ruß und Staub geschützten Raum. Außerdem ist der Fühler 7
gegen Störstrahlungen geschützt; wenn überhaupt, könnte diese Störstrahlung nur
durch die Gasaustrittsöffnung 12 eindringen; dieser Eintritt ist ihr aber verwehrt,
weil der strahlungsoptische Wandler 10 in Form eine Platte diese Öffnung
12 abschirmt. Der fotoelektrische Fühler 7 kann also weder durch rotglühende Feuerraumwände
noch durch künstliches Licht oder Tageslicht beeinflußt werden. Man erreicht dadurch
eine ungewöhnlich kurze Abklingzeit, das heißt, die Sicherheitsorgane sprechen bereits
nach weniger als 1 Sekunde auf das Erlöschen der Flamme an. Der strahlungsoptische
Wandler 10 transformiert ferner die von der Flamme 5 bzw. 4 ausgehende Wärmestrahlung
in sichtbares Licht, so daß der Flammenfühler 7 auch auf solche Gasflammen anspricht,
die schwach oder gar nicht leuchten.
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In Fig. 2 ist eine Brennereinheit veranschaulicht, die aus einem Rohr
14 mit seitlichem Gaseintrittsstutzen 15 besteht. Am unteren Ende ist ein fotoelektrischer
Fühler 16 mit Leitungen 17 eingeschoben. Den gasdichten Verschluß besorgt eine Glasscheibe
18, die in das Rohr 14 eingeschmolzen ist. Diese Scheibe ist lichtdurchlässig, kann
aber beispielsweise außerdem als Schutz gegen Wärmestrahlung dienen. Man kann an
dieser Stelle auch einen strahlungsoptischen Wandler einsetzen, der dann die Funktion
des Wandlers 10 übernimmt. Am anderen Ende ist eine Düse 19 aufgesetzt. Man erkennt,
daß bei dieser Anordnung ein einziges Loch in der gestrichelt angedeuteten Wand
20 eines Feuerungsraumes genügt, um den Brenner und die Kontrolleinrichtung einzuführen.
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Mit besonderem Vorzug kann die Düse 19 aus einem Katalysatormaterial
bestehen, das einen hindurchtretenden Gasstrom automatisch zu zünden vermag. Die
meisten dieser Katalysatoren haben überdies die Eigenschaft, daß sie bei gezündeter
Flamme eine Eigenstrahlung aussenden, so daß sie zusätzlich die Funktion eines strahlungsoptischen
Wandlers 10 übernehmen. Da es unter diesen Katalysatormaterialien solche gibt, die
eine sehr hohe Temperatur in der Größenordnung von 1400-1800° C vertragen, kann
man einen mit dieser Düse ausgestatteten Brenner auch bei sehr hohen Temperaturen
verwenden.
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In Fig. 3 ist ein Hauptbrenner 21 mit Flamme 22 veranschaulicht, dem
das Gas aus der Hauptleitung 23 über das Ventil 24 zugeführt wird. Der Zündbrenner
25 mit der Zündflamme 26 erhält Gas über die Zweigleitung 27 mit dem Ventil 28.
Die Düse 29 des Zündbrenners kann ähnlich wie in einem der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele
ausgebildet sein. Der Flammenfühler 30 liegt diesmal im Strom des frisch zugeführten
Gases und wird deshalb besonders gut gekühlt. Die Leitung 31 ist über die Dichtung
32 zu einer Steueranordnung geführt, von der aus das Hauptventil 24 betätigt werden
kann.
Der erfindungsgemäße Brenner läßt sich für sämtliche Brennergrößen
verwenden, beispielsweise als kleiner Einzelbrenner oder in Form eines Hilfs- oder
Zündbrenners für eine größere Feuerung. Die Einfachheit des Aufbaues ermöglicht
einen vollautomatischen Betrieb von solchen Anlagen, die bis jetzt, wie zum Beispiel
gasbeheizte Öfen, im allgemeinen nur halbautomatisch zu betätigen waren. Besonders
geeignet ist ein erfindungsgemäßer Zündbrenner in Verbindung mit Hauptbrennern,
deren Gaszufuhr durch ein thermostatisches Ventil geregelt wird. Störungen jeder
Art, zum Beispiel verstopfte Düse, fehlerhaftes Hauptventil, fehlerhaftes Ventil
für den Hauptbrenner, defekter Strahlungswandler, lösen immer ein Störsignal im
Flammenfühler 7 aus, das über das Steuergerät die Anlage ausschaltet. Da sich sämtliche
Einzelteile der kombinierten Brenner- und überwachungseinrichtung leicht zu einer
Einheit zusammenfassen lassen, kann man die ganze Anordnung auch rasch auswechseln.
Es ist klar, daß sich die Erfindung nicht nur auf Brenner bezieht, die in der dargestellten
Weise einen rohrförmigen Körper besitzen, sondern daß sie auch auf jede andere Gaszufuhranordnung
anwendbar ist, bei der es möglich ist, die bei der Gasaustrittsseite einfallenden
Strahlen auf einen Flammenfühler im Bereich der Gaseintrittsseite zu leiten.