Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen
Überwachung der Verbrennungskonstanz einer im wesentlichen
aus Heizkessel und Brenner bestehenden Feuerungsanlage und
ein Überwachungsgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
Allein in der Schweiz stehen über 800.000 Feuerungsanlagen
in Betrieb. Die Verbrennung wird in der Regel nur alle 2
Jahre anlässlich der Abgaskontrolle oder bei Anlagen mit
Serviceabonnement jährlich einmal gemessen. Während des
zeitlichen Zwischenraums von Messung zu Messung erfolgt
die Verbrennung trotz ihrer dauernden Veränderung weitgehend
unkontrolliert. Wenn keine offensichtliche Betriebsstörung
auftritt, geht der Betreiber von der Annahme aus,
die Verbrennung sei in Ordnung. Dies ist ein weitverbreiteter
Trugschluss, welcher dazu führt, dass schlechte Verbrennungen
immer wieder viel zu lange unbemerkt bleiben
und unsere Umwelt unnötigerweise erheblich belasten.
Bei der verbrennungstechnischen Beurteilung von Feuerungsanlagen
ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen der
momentan erreichten Verbrennungsgüte bei bestmöglicher Einstellung
des Brenners (z.B. anlässlich einer Einregulierung)
und der zeitlichen Verbrennungskonstanz, die in regelmässige
Abständen von 2 - 3 Monaten Betriebsdauer
durch einen Fachmann kontrolliert bzw. nachgemessen werden
sollte. Dabei ist es unerlässlich, den Verschmutzungsgrad
des Heizkessels bei diesen Nachmessungen in die Bewertung
einzuschliessen.
Während heute praktisch alle Feuerungsanlagen bei der Inbetriebnahme
sowie bei jeder späteren Einregulierung eine
sehr hohe Verbrennungsgüte und einen ebenso hohen Virkungsgrad
erreichen, hat sich das Langzeitverhalten, nämlich
die Verbrennungskonstanz gegenüber früher eher verschlechtert.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die heutigen
Brenner mit einer wesentlich höheren "Flammenpressung" arbeiten,
was zu einer starken Verengung der Luftdurchlassöffnungen
mit entsprechend höherer Verschmutzungsempfindlichkeit
geführt hat. Um einer erhöhten Störungsanfälligkeit
zu entgehen, werden neuartige Überwachungssonden so
eingebaut, dass praktisch nur noch ein Ausbleiben der
Flammenbildung erfasst wird.
So ist davon auszugehen, dass speziell bei Kleinanlagen
bis 30 kW/h sich die Verbrennung bei einem erheblichen
Teil dieser Anlagen bereits nach einem Jahr Betriebsdauer
ausserhalb jeder Toleranz befindet. Wenn die Verbrennungsluft
auch noch mit Textilfasern aus Waschküchen oder Trocknungsräumen
belastet ist, kann dies fast als sicher angenommen
werden.
In diesem Umfeld hat der Betreiber der Anlage keine Möglichkeit,
den Grad der Verbrennungsgüte seines Brenners zu
kontrollieren, es sei denn, er verfüge über die entsprechenden
Kenntnisse und Einrichtungen, um Messungen durchzuführen.
Dies führt dazu, dass auch sehr starke Verbrennungsabweichungen
vom Betreiber gar nicht oder viel zu
spät als solche erkannt werden. In der Praxis sind immer
wieder Fälle bekannt geworden, in denen sogar tagelang eine
schwarze Russfahne dem Kamin entwichen ist, bis der Servicedienst
avisiert wurde. Die Folge solcher Vorfälle ist
nebst grober Umweltverschmutzung und hohem Brennstoffverbrauch
ein mit Russ angefüllter Heizkessel und ein total
verrusstes Amin, deren Reinigung zusammen mit der Instandstellung
des Brenners erhebliche Kosten verursacht. Zudem
besteht bei diesem schlechten Zustand der Feuerungsanlage
eine stark erhöhte Brandgefahr.
Dass sich eine Feuerungsanlage im Verlaufe des Betriebes
verändert, ist absolut normal und in sich selbst begründet.
Es ist nur die Frage, wie schnell und wie stark eine solche
Veränderung vor sich geht, und ob das Erreichen eines kritischen
Punktes rechtzeitig erkannt wird.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
für die automatische Überwachung einer Feuerungsanlage anzugeben,
mit welchem sich deren Verbrennungskonstanz, ihre
Funktionstüchtigkeit und die qualitative Güte der Verbrennung
jederzeit und raschest erkennen und beurteilen lassen,
und ein Gerät zu schaffen, um dieses Verfahren zu verwirklichen.
Dabei war davon auszugehen, dass für die überwachung einer
Feuerungsanlage sich vor allem zwei Kriterien anbieten.
Dies ist entweder die kontinuierliche Messung des Restsauerstoffes
im Abgas oder eine ebenfalls kontinuierliche Messung
der Abgastemperatur. Beide Werte sind Grundlage für
eine Wirkungsgradberechnung und somit von grosser Bedeutung.
Die Messung und überwachung des Restsauerstoffes ist
sehr aufwendig und teuer und bleibt deshalb für Grossanlagen
vorbehalten. Jahrzehntelange Erfahrung hat immer wieder
gezeigt, dass jede Veränderung der Verbrennung eine Veränderung
der Abgastemperatur zur Folge hat. De wurde daher
dieses Kriterium als Grundlage gewählt.
Die Lösung der obenstehenden Aufgabe wurde darin gefunden,
dass der Istwert der Abgastemperatur in zumindest einem
wählbaren Zeitpunkt nach jedem Brennerstart gemessen, elektronisch
mit einem festgelegten Sollwert verglichen und die
relative Lage des gemessenen Wertes zum Sollwert optisch
ablesbar angezeigt wird.
Mit Hilfe dieses Verfahrens lässt sich sofort, sozusagen
auf einen Blick erkennen, ob die Verbrennung in Ordnung ist
oder zumindest die natürliche, zeitlich bedingte Veränderung
noch nicht so gravierend ist, dass der Eingriff eines
Fachmannes notwendig wäre. Da der Vergleich der gemessenen
Abgastemperatur mit einem Sollwert automatisch bei jedem
Brennerstart, normalerweise also täglich mehrmals erfolgt,
gibt die optische Anzeige immer den neuesten Stand an. So
lässt sich jedereit eine Aussage über die Verbrennungskonstanz
der Feuerungsanlage und über den Verschmutzungsgrad
des Heizkessels machen. Durch das rechtzeitige Erkennen jeder
Verbrennungsveränderung kann ein erheblicher Teil der
emittierten Schadstoffe vermindert und der Brennstoffvenbrauch
herabgesetzt werden. Bei über- oder Unterschreitung
festgelegter Grenzwerte der Abgastemperatur wird der Brenner
automatisch abgeschaltet.
Das entsprechende Überwachungsgerät erfordert weder Bedienung
noch Unterhalt seitens des Betreibers. Es ist auch für
die empfindlicheren Kleinanlagen bis 70 kW/h, welche 80 %
aller Heizanlagen ausmachen, einsetzbar und über die Einsparungen
in nützlicher Frist amortisierbar.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Überwachungsgerät als
Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt
und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 das Gerät von vorne; Fig.2 den zugehörigen Temperaturfühler von der Seite; Fig.3 ein Zeit-Temperatur-Diagramm des Abgases.
Nach den Figuren 1 und 2 ist in das zweiteilige Gehäuse 1
eine (nicht gezeichnete) Elektronik eingebaut. Sie ist über
das Kabel 2 mit dem Anschlusskästchen 3 verbunden, an dem
der Temperaturfühler 4 befestigt ist. Dieser ist an geeigneter
Stelle, vorzugsweise im Bereich der vorhandenen Messöffnung,
derart an das Rauchrohr montiert, dass es in die
Abgase hineinragt. Seine Messwerte gelangen über das Kabel
2 zur Elektronik, die mit den Leuchtdioden 5 in Verbindung
steht. Das Gerät selbst ist an einer leicht zugänglichen,
vor allem aber gut sichtbaren Stelle angebracht.
Die Leuchtdioden könnten alle von gleicher Farbe sein, doch
wäre dann unter Umständen, insbesondere im Finstern, nicht
leicht feststellbar, welche der Dioden gerade leuchtet.
Dieser Mangel kann in einfacher Weise behoben werden, wenn
Dioden mit unterschiedlichen Farben verwendet werden. Für
den Bedarfsfall ist auch noch die Beschriftung 6 zu jeder
Diode vorgesehen.
Die Funktionsweise des Gerätes soll anhand des Diagramms
nach Fig.3 dargelegt werden, das nirgends tatsächlich aufscheint
und nur zur Erklärung dient.
Nachdem der Brenner - es kann gleicherweise ein Öl- oder
ein Gasbrenner sein - bei gereinigtem (oder bei einem neuen)
Heizkessel auf optimale Verbrennungswerte eingestellt
worden ist, wird die Taste 7 am Überwachungsgerät betätigt.
Die Kesseltemperatur soll in diesem Moment ca. 50 - 60°C
ohne bzw. 70 - 80°C mit Warmwasseraufbereitung betragen.
Auf diesen Auslösebefehl wird nach der Brennstoff-Freigabe
während einer kurzen Zeitspanne der Verlauf der Abgastemperatur,
der einer Idealkurve gleichkommt, als Basiskurve BK
für die folgenden pressungen in die Elektronik eingespeichert.
Für die späteren Vergleichsmessungen wird nur ein Teil der
Basiskurve herangezogen, z.B, der Messbereich M in der
Zeitspanne zwischen 1' und 5'. In diesem Bereich M steigt
die Abgastemperatur TA bei einer guten Verbrennung von ca.
100° auf 140°C an.
In der Folge wird nach jedem Brennerstart während der gleichen,
eben genannten Zeitspanne die Kurve des Verlaufs der
Abgastemperatur von der Elektronik erfasst, mit der gespeicherten
Basiskurve verglichen, ausgewertet und durch die
Leuchtdioden signalisiert, wobei selbstverständlich die jeweiligen
Vergleichspunkte zeitlich genau übereinstimmen
müssen.
Eine Abweichung der gemessenen Temperaturkurve von der Basiskurve
um ± 20°C ist noch nicht zu beanstanden. Es ist
dies der Bereich 8 im Diagramm. Am Gerät leuchtet eine
grüne Diode auf, die mit der Beschriftung "Verbrennung in
Ordnung" versehen ist.
Liegt die Abweichung der gemessenen Werte im Bereich 9,
laut Diagramm also zwischen + 20° und + 40°C, so ist Vorsicht
geboten und eine Kontrolle empfehlenswert. Es leuchtet
eine gelbe Diode auf mit der Beschriftung "Abweichung
vorhanden".
Leuchtet eine rote Diode auf mit der Beschriftung "Servicedienst
avisieren", so liegen die Messwerte im Bereich 10,
die Abweichung von der Basiskurve beträgt zwischen + 40°
und + 60°C. Es besteht die Gefahr einer grösseren Havarie
und ein Fachmann ist raschest beizuziehen. Werden die 60°
noch überschritten, dann wird der Brennerbetrieb automatisch
unterbrochen und die rote Diode beginnt zu blinken.
Ein Absinken der Abgastemperatur unter die Basis kurve ist
gefährlicher als ein Ansteigen darüber hinaus. Bei einer
Abweichung bis zu - 20°C ist die Verbrennung noch in Ordnung,
wie schon zur grünen Diode ausgeführt wurde. Unterschreitet
jedoch die Abweichung der Abgastemperatur
einen Grenzwert von - 20°C, so ist bereits Gefahr
in Verzug, der Brenner schaltet ab und eine blaue Diode
mit der Beschriftung "Servicedienst avisieren" fängt
zu blinken an.
Die Dioden leuchten nicht bloss während der Messung auf,
sondern bleiben aktiv bis zum nächsten Brennerstart, worauf
vielleicht eine andere Diode einen geänderten Zustand
der Verbrennungskonstanz anzeigt.
Durch die unterschiedlichen Farben der Leuchtdioden lässt
sich sofort, selbst im Finstern, der Momentanzustand einer
Feuerungsanlage erkennen. Durch eine regelmässige Ablesung
des Überwachungsgeräts kann die Verbrennungskonstanz leicht
kontrolliert und ein grösserer Schaden vermieden werden.
Nach erfolgter Inszandstellung von Brenner und Heizkessel
und Einstellung der Feuerung wird vom Monteur die Taste 7
gedrückt, wodurch eine neue Basiskurve in die Elektronik
eingespeichert und gleichzeitig die alte gelöscht wird.
Die oben angeführten Bereiche werden werkseitig eingestellt,
können aber vom Fachmann je nach Anlage auch Individuell angepasst
werden. Die Messgenauigkeit liegt unterhalb von
± 1 %, das Gerät ist aber trotzdem sehr unempfindlich und
für eine lange Einsatzzeit vorgesehen, denn es werden keine
eigentlichen Verschleissteile verwendet.
Es sei noch erwähnt, dass bei einem Abstellen des Brenners
und dem damit eintretenden Blinken der roten oder blauen Diode
auch ein akustisches Signal ausgelöst werden kann, was
nur einen geringen Aufwand erfordert.
Wenn bisher ein bestimmter Messbereich bzw. eine gewisse
Zeitspanne für den Vergleich des Istwertes der Abgastemperatur
mit einem durch die Basiskurve festgelegten Sollwert für
die überwachung herangezogen wurde, so ist das nicht die
einzige Möglichkeit. Der Vergleich erfolgt hier sozusagen,
zeitlich gesehen, von Punkt zu Punkt. Für einen einfacheren
Überwachungsvorgang würde auch ein einzelner Messpunkt genügen,
z.B. 4' nach dem Brennerstart. Eine solche Messung ist
aber weniger aussagekräftig, weil eventuell auftretende,
kurzzeitige Unregelmässigkeiten das Resultat verfälschen
könnten.
Durch eine zeitliche Anhebung des Grundtoleranzfeldes (z.B.
in Schritten von +1°C pro 100 Betriebsstunden ab letzter
Kesselreinigung) kann die auch bei einwandfreier Verbrennung
auftretende, durch zunehmenden Kesselbelag bedingte Veränderung
vorprogrammiert und so berücksichtigt werden. Gestützt
darauf können die durch die Verbrennung verursachten Veränderungen
zwischen zwei Kesselreinigungen zeitlich erfasst
und exakt ausgewertet werden. Diese Operationen lassen sich
in einfacher Weise von der Elektronik ausführen.
Es kann auch bei jedem Brennerstart die Anfangstemperatur,
welche stets in einem bestimmten Verhältnis zur Heizkesseltemperazur
steht, durch die Elektronik registriert und daraus
ein entsprechender Umrechnungsfaktor ermittelt werden.
Die 3asiskurve wird für die darauf folgende Messung automatisch
um den ermittelten Wert korrigiert. Damit werden die
durch unterschiedliche Heizkesseltemperaturen bedingten Abweichungen
kompensiert.
Mit den vorgenannten Schritten ist eine wesentliche Verfeinerung
der Verbrennungsüberwachung möglich.
Neben der eigentlichen Verbrennungsüberwachung wird erstmals
auch ein verlässlicher Massstab als Basis für einen künftigen
bedarfsabhängigen Unterhalt durch Kalainfeger oder Servicedienst
geschaffen. Gegenüber der heutigen Praxis sind dadurch
bei vielen Anlagen wesentliche Kostensenkungen möglich.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die amtlich angeordneten
periodischen Abgaskontrollen Feinmessungen sind, welche
die umfängliche chemische Zusammensetzung der Abgase erfassen.
Sie werden in der Regel alle 2 Jahre durchgeführt und
können natürlich durch das erfindungsgemässe Überwachungssystem
nicht ersetzt werden. Dieses dient ausschliesslich
der Konstanzüberwachung zwischen zwei Abgas kontrollen. Hingegen
ergibt ein Zusammenwirken von Kontrolle und Überwachung
ein höchstmögliches Mess an Sicherheit, welches von den
Abgaskontrollen allein nie gewährleistet werden kann.