DE19734574B4

DE19734574B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Brenners, insbesondere eines vollvormischenden Gasbrenners

Info

Publication number: DE19734574B4
Application number: DE19734574A
Authority: DE
Inventors: Klaus Danner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-08-09
Filing date: 1997-08-09
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2017-08-10
Also published as: DE19734574A1; EP0898118A2; EP0898118A3

Abstract

Verfahren zum Regeln eines Brenners, insbesondere eines vormischenden Gasbrenners, bei welchem sich eine Hauptreaktionszone des zugeführten Brennstoff Luftgemisches unter Flammenbildung stromab von Austrittsöffnungen des Gasbrenners ausbildet, mit einem oberhalb der Brennerplatte angeordneten Sensorelement, das die Temperatur im Flammenbereich erfasst und dessen Signal den Verbrennungsprozess beeinflusst, wobei die Verbrennungstemperaturen im gesamten Leistungsbereich des Brenners innerhalb eines sich in einer Flammenfußzone ausbildenden positiven Temperaturgradientenverlaufs erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensorsignal eine Kennlinie mit einer von der Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches abhängigen Charakteristik zugrundegelegt wird und dass die gemessenen Verbrennungstemperaturen mit den in den Kennlinien gespeicherten Referenzwerten verglichen werden und die sich gegebenenfalls ergebenden Abweichungen das Signal für die Anpassung des Brennstoff-Luftverhältnisses bilden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Regeln eines Brenners, insbesondere eines vollvormischenden Gasbrenners nach der Gattung des Hauptanspruchs, sowie von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bei einem aus der DE 37 16 641 A1 bekannten Verfahren wird ein Flammentemperaturfühler zur Regelung bzw. Anpassung des Brenngas-Luftgemisches bei sich ändernden Betriebsbedingungen wie Gasartenwechsel, Luftdruck- oder Temperaturänderungen oder dergleichen, eingesetzt. Der Vorteil dieser Luftzahlregelung gegenüber einem alternativen Einsatz von Lambda- Sonden im Abgasweg besteht darin, daß alle den Energiehaushalt im Flammenbereich mitbestimmenden und daher für die Schadstoffbildung mitverantwortlichen Parameter der Verbrennungskomponenten potentiell erfaßt werden können.
Weiterhin ist aus der DE 39 18 855 A1 bekannt, den Temperaturfühler so zu positionieren, daß die Temperatur im wesentlichen an den Flammenspitzen erfaßt wird. Dabei wird über eine absolute Flammentemperaturerfassung z.B. die Änderung der Gasqualität erfaßt und die voreingestellte Luftzahl nachgeregelt. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass eine Auswertung der Temperatursignale bei einer derartigen Anordnung nur bedingt möglich sind.
Bei einem aus EP 346 829 A1 bekannten Heizgerät wird der Verbrennungszustand über eine Erfassung der Flammenwurzelform analysiert. Dabei ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die ein Signal eines Temperaturfühlers erfnimmt und einen Temperaturgradienten ermittelt, dessen Werte mit mindestens einem Vorgabewert verglichen werden. Anhand des Vergleiches wird erkannt, ob ein Temperaturabfall auf ein Umschalten des Heizgeräts oder auf einen Flammenabbruch hindeutet.
Aus CH 389 539 ist eine Sicherheitsvorrichtung für einen Gasbrenner bekannt, bei der mit Hilfe eines thermoelektrisehen Fühlers die Flamme überwacht wird. Dabei ist der thermoelektrische Fühler so eingestellt, dass bei normaler Zusammensetzung des Brenngas-Luftgemisches das wirksame Fühlerende den Außenumfang der Flamme des gezündeten Brenners berührt. Bei einer Änderung der Flammenfront aufgrund geänderter Zusammensetzung des Brenngas-Luftgemisches wird die Berührung des thermoelektrischen Fühlers am Flammenumfang unterbrochen, wodurch der thermoelektrische Fühler abkühlt. Als Folge wird das Regelorgang für die Gaszufuhr zum Brenner geschlossen.
Das aus US 45 55 800 bekannte Verfahren zur Diagnostizierung des Verbrennungszustands eines Brenners nutzt ebenfalls die Flammenform des Brenners aus, die beispielsweise mittels eines bildgebenden Sensors erfasst und von einem Computer ausgewertet wird.
Schließlich ist aus JP 09196361 A eine Sicherheitsvorrichtung für einen Brenner bekannt, bei der ein Thermoelement in die Hauptreaktionszone der Flamme ragt.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, das zur Steuerung des Brennstoff-Luftgemisches bei Leistungsmodulation eingesetzt wird, macht sich den Umstand zunutze, dass die Ausströmgeschwindigkeit abhängig von der jeweiligen Belastung des Brenners ist. Zu diesem Zweck wird dem Sensorsignal eine Kennlinie mit einer von der Belastung bzw. der Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches abhängigen Charakteristik zugrunde gelegt. Dabei werden während des Betrieb des Brenners die durch den Temperaturfühler gemessenen Temperaturwerte mit den in der Kennlinie gespeicherten Referenzwerten verglichen und bei Abweichungen durch ein entsprechendes Signal z.B. die Gebläsedrehzahl für die Luftzufuhr oder die Gasventilöffnung korrigiert und damit das Brennstoff Luftverhältnis angepaßt.
Mit dem Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren können bereits kleine Lageänderungen der Flamme und damit Änderungen im Brenngas-Luftgemisch sicher detektiert werden.
Durch die Stabilisierung der Lage der Hauptreaktionszone werden im Betrieb des Brenners alle vorhergenannten Einflüsse laufend berücksichtigt und durch Anpassung des Brennstoff-Luftverhältnisses ausgeglichen.
Da das Verfahren der Abstandsstabilisierung im Gegensatz zum Verfahren mit einer Lambda-Sonde auch unempfindlich gegenüber Nebenluftzutritt in und stromab der Brennkammer ist, eignet es sich auch für den Einsatz in Geräten mit offener Brennkammer und bei atmosphärischem oder gebläseunterstütztem Betrieb eines Brenners.
Der Abstand der Hauptreaktionszone von der Ausströmöffnung kann dabei in vorteilhafter Weise direkt durch einen thermischen Sensor oder indirekt über ein Transmitterelement, dessen Strahlungsspektrum optisch ausgewertet wird, erfaßt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Brennervorrichtung möglich.
Da es unter Umständen wünschenswert ist, für verschiedene Brennertypen unterschiedliche Luftzahlen λ zu verwenden, kann das Regelverfahren an den Betrieb mit unterschiedlichen Luftzahlen angepaßt werden, indem aus einem vorher z.B. experimentell bestimmten Kennlinienfeld die gewünschte Kennlinie vorgewählt wird.
Eine bei der Überwachung von Gasflammen bewährte Ausführung ergibt sich, wenn als Sensor ein Thermoelement verwendet wird, dessen Durchmesser ca. ein Millimeter beträgt. Somit ist sichergestellt, daß der Durchmesser des Thermoelementes nicht größer ist, als die Ausdehnung der Flammenfußzone.
Bei entsprechend kleinen Abmessungen des Sensorelementes ist aufgrund der schnellen Abkühlung bei Wegfall der Flamme auch die Funktion einer konventionellen Flammenüberwachung mit Sicherheitsabschaltung der Brennstoffzufuhr möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt den Temperaturverlauf in einer stöchiometrischen Methanflamme (entnommen aus Verbrennung und Feuerungen, Springer- Verlag 1974), 2 bis 4 zeigen eine Anordnung zur Stabilisierung des Abstandes der Hauptreaktionszone mit einem temperaturempfindlichen Sensorelement in drei unterschiedlichen Positionen der Flammenstabilisierungszone sowie eine entsprechende Darstellung der Temperaturverläufe.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein Gasbrenner hat eine Brennerplatte 10, die mit Austrittsöffnungen 12 für ein Brennstoff-Luftgemisch versehen ist. Der modulierend arbeitende Gasbrenner ist so ausgelegt, daß sich bei jedem Lastzustand eine stabile Hauptreaktionszone stromab der Austrittsöffnungen 12 ausbildet, wobei als Hauptreaktionszone der Bereich zwischen Verbrennungsbeginn und Temperaturmaximum definiert ist. Dabei nehmen die Flammenfüsse 14 der Brennerflammen 16 einen nachfolgend als Stabilisierungshöhe bezeichneten Abstand h zur Brennerplatte 10 ein, der außer vom Lastzustand des Gasbrenners auch von der Luftzahl und von den Zustandsgrößen der Verbrennungskomponenten abhängt.
Über einer Austrittsöffnung 12 ist als Sensor ein Temperaturfühler 18 angeordnet, der mit einem Steuergerät 20 verbunden ist und mit seiner Spitze in den Bereich des Flammenfusses 14 hineinragt. Der Temperaturfühler 18 erzeugt nach Maßgabe seiner Beheizung durch den Flammenfuß 14 ein Spannungssignal, das mit einem im Steuergerät abgelegten, vorher experimentell oder rechnerisch ermittelten Referenzwert verglichen wird. Weichen die Werte im Verlauf des Betriebs des Gasbrenners z.B. durch Änderungen des Gaszustandes (Druck, Temperatur, Feuchte) voneinander ab, wird ein dem Differenzwert entsprechendes Signal vom Steuergerät 20 an ein Regelventil 22 einer nicht dargestellten Gasarmatur des Gasbrenners abgegeben und der Ventilöffnungsquerschnitt so korrigiert, daß in jedem Lastzustand die Stabilisierungshöhe auf einem der vorgegebenen Luftzahl entsprechenden Wert gehalten wird. Einer Änderung des Lastzustandes des Gasbrenners wird dadurch Rechnung getragen, daß dem Spannungssignal des Temperaturfühlers 18 eine im Steuergerät 20 abgelegte lastabhängige Kennlinie zugrundegelegt wird.
Zur Verdeutlichung der Erfassung der Position der Hauptreaktionszone ist in der 1 exemplarisch der Temperaturverlauf einer stöchiometrischen Methanflamme im Bereich zwischen dem an der Austrittsöffnung des Brenngas-Luftgemisches liegenden Temperaturminimum und dem am Ende der Hauptreaktionszone liegenden Temperaturmaximum der Flamme aufgezeigt. Innerhalb dieser Flammenfußzone ergibt sich eine steiler positiver Temperaturgradientenverlauf, wodurch schon geringe Veränderungen der Flammenposition sicher erfaßt werden können.
Beim Ausführungsbeispiel (2) ist der Abstand des Temperaturfühlers 18 über der Austrittsöffnung 12 gleich groß wie die Stabilisierungshöhe h₁ gewählt, die einem mittleren Lastzustand zugeordnet ist. Wenn in diesem Lastzustand die Flammen die Sollposition einnehmen, ist die Erwärmung des Temperaturfühlers 18 gerade so groß, daß kein Signal vom Steuergerät 20 an das Regelventil 22 der Gasarmatur zur Korrektur der Gaszufuhr abgegeben wird.
Sobald und solange der Luftüberschuß im Brennstoff-Luftgemisch den vorgegebenen Wert überschreitet, rücken gemäß 3 die Flammen 16 von der Brennerplatte 10 und damit vom Temperaturfühler 18 bis zur Stabilisierungshöhe h₂ ab. Dadurch wird der Temperaturfühler 18 weniger stark erwärmt und über ein vom Steuergerät abgegebenes Signal, das der Abweichung vom Referenzwert aus der Kennlinie entspricht, das Brennstoff-Luftverhältnis im gewünschten Sinne korrigiert. Wenn dagegen der Luftüberschuß den vorgegebenen Wert unterschreitet, verringert sich gemäß 4 der Abstand der Flammen zur Brennerplatte 10 auf die Stabilisierungshöhe h₃, wobei sie in eine intensivere Berührung mit dem Temperaturfühler 18 kommen. Dabei wird dieser stärker erwärmt und über ein vom Steuergerät abgegebenes Signal, das der Abweichung vom Referenzwert aus der Kennlinie entspricht, das Brennstoff-Luftverhältnis im gewünschten Sinne korrigiert.
Die neben den 2 bis 4 dargestellten Temperaturverläufe mit der Position der Flammentemperaturerfassung durch den Temperaturfühler 18 verdeutlichen, daß bei allen drei exemplarisch dargestellten Zuständen die Flammentemperaturen innerhalb des steilen positiven Temperaturgradientenverlaufs in der Flammenfußzone erfaßt werden.

Claims

Verfahren zum Regeln eines Brenners, insbesondere eines vormischenden Gasbrenners, bei welchem sich eine Hauptreaktionszone des zugeführten Brennstoff Luftgemisches unter Flammenbildung stromab von Austrittsöffnungen des Gasbrenners ausbildet, mit einem oberhalb der Brennerplatte angeordneten Sensorelement, das die Temperatur im Flammenbereich erfasst und dessen Signal den Verbrennungsprozess beeinflusst, wobei die Verbrennungstemperaturen im gesamten Leistungsbereich des Brenners innerhalb eines sich in einer Flammenfußzone ausbildenden positiven Temperaturgradientenverlaufs erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensorsignal eine Kennlinie mit einer von der Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches abhängigen Charakteristik zugrundegelegt wird und dass die gemessenen Verbrennungstemperaturen mit den in den Kennlinien gespeicherten Referenzwerten verglichen werden und die sich gegebenenfalls ergebenden Abweichungen das Signal für die Anpassung des Brennstoff-Luftverhältnisses bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie aus einem Kennlinienfeld vorgewählt wird, wobei sich die unterschiedlichen Kennlinien für verschiedene Brennstoff-Luftverhältnisse (Luftzahlen λ) und/oder verschiedene Brennertypen ergeben.
Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einer mit Austrittsöffnungen (12) für ein Brennstoff-Luftgemisch versehenen Brennerplatte (10) und mit einem oberhalb der Brennerplatte (10) angeordneten Sensorelement (18), das die Temperatur im Flammenbereich erfasst und dessen Signal einem Steuergerät (20) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (18) mit einem Abstand oberhalb der Brennerplatte (10) angeordnet ist, der so bemessen ist, dass die Verbrennungstemperaturen im gesamten Leistungsbereich des Brenners innerhalb eines sich in einer Flammenfußzone ausbildenden positiven Temperaturgradientenverlaufs erfasst werden, und dass der Abstand des Sensorelements (18) oberhalb der Brennerplatte (10) gleich groß ist wie eine Stabilisierungshöhe (hl), die einem mittleren Lastzustand zugeordnet ist bei dem die Erwärmung des Sensorelements (18) gerade so groß ist, dass kein Signal vom Steuergerät (20) zur Korrektur der Gaszufuhr abgegeben wird.
Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (18) als Thermoelement ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Thermoelements (18) ca. 1 mm beträgt.