EP1036984B3 - Vormischbrenner für gasförmige Brennstoffe - Google Patents

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EP1036984B3
EP1036984B3 EP00104614A EP00104614A EP1036984B3 EP 1036984 B3 EP1036984 B3 EP 1036984B3 EP 00104614 A EP00104614 A EP 00104614A EP 00104614 A EP00104614 A EP 00104614A EP 1036984 B3 EP1036984 B3 EP 1036984B3
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burner
electrode
premix
ionization
mixture
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Hartmut Henrich
Ulrich Niemeyer
Martin Petersmann
Sascha Rothenberger
Ansgar Schlump
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Elster GmbH
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/60—Devices for simultaneous control of gas and combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2208/00—Control devices associated with burners
    • F23D2208/10—Sensing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/22—Pilot burners

Definitions

  • the invention relates to a premix burner for gaseous fuels, with a mixture distributor having a plurality of mixture passage openings and with an ionization electrode which is connected to a control device.
  • the burner operates according to the so-called SCOT method, in which the ionization signal supplied by the ionization electrode is processed electronically in order to provide information about the flame temperature and thus about the air ratio.
  • the process aims to keep the air ratio constant, thus enabling low-emission combustion of gases of varying composition.
  • the quality of the control depends on the straightness of the course of the ionization signal over the burner output.
  • a device for monitoring the operation of the burner plate of a surface burner by means of an electrode which measures the ionization in the flame region.
  • the burner flames are longer in the region of the electrode in a delimited area than in the remaining area of the burner plate.
  • the mixture passage openings are dimensioned smaller in the region of the electrode than in the remaining region of the burner plate. This results in a reduction of the surface load.
  • the burner plate is supplied in the region of the electrode, a mixture with a reduced proportion of air. This undesirably changes the gas / air ratio.
  • the invention has for its object to improve the burner control to the effect that it is an ionization signal is supplied, the linearity is increased above the burner power.
  • the premix burner mentioned above is inventively characterized in that the control device is designed to derive a signal representing the air number from the ionization of the electrode.
  • the surface loading of the premix burner according to the invention is increased in the region of the ionization electrode by the ionization electrode is associated with a pilot burner or by the mixture passage area of the mixture distributor is increased in the region of the ionization.
  • the invention is based on the finding that the quality of the ionization signal depends on the surface load of the burner. The lower the surface load, the weaker the ionization signal and the earlier its fall begins with decreasing burner output. On the other hand, the general technical trend is towards low surface loads in order to achieve the lowest possible pollutant emissions.
  • the invention provides a local increase in the surface load and in many cases only allows the use of the SCOT method by corresponding improvement of the quality of the ionization signal. In all circumstances will extends the usable power range of the burner downwards.
  • the increase in the surface load is locally limited and therefore does not lead to any, in the worst case only to a negligible influence on the emission values.
  • premix burner with a pilot burner, which is assigned to the ionization and operates with higher surface load than the actual burner.
  • the premix burner 1 after Fig. 1 is connected to an air line 2 and to a gas line 3.
  • a pressure regulator 5 is arranged in the air line.
  • the pressure regulator 5 operates in dependence on an additional electronics 6, which in turn is connected to a customer-specific boiler electronics 7. The latter also controls the fan 4.
  • An ionization electrode 8 indicated as a line supplies its signal to the additional electronics 6, in which this signal is processed in such a way that it represents the air ratio of the premix burner 1.
  • the ionization electrode 8 is arranged in the region of a pilot burner 9 which communicates with both the air line 2 and with the gas line 3 and therefore a Mixture burns, as it is also the burner head 1 ', is supplied.
  • the pilot burner 9 is set to a higher surface load than the burner head 1 '.
  • the additional electronics 6 thus produces a high quality ionization signal.
  • this signal is plotted against the boiler output, as compared to the signal resulting when the ionization electrode is located in the region of the low surface load burner head 1 '.
  • the ionization signal drops very sharply with decreasing burner output, which suffers from the quality of the control, with the result that the air ratio of the premix burner 1 can no longer be kept constant with gas changes.
  • Fig. 3 shows a mixture distributor 10 of a premix burner in the form of a burner plate, which is provided with a plurality of mixture passage openings 11. Over the largest area of the burner plate, the density of the mixture passage openings 11 is selected so that the burner operates with low surface loading and therefore achieves favorable emission values.
  • the ionization electrode 8 is arranged on the left edge of the burner plate and extends into the region thereof. As shown, here the density of the mixture passage openings 11 is increased. The mixture passage area is therefore increased, so that the burner operates in this area with increased surface loading. The effect corresponds to that of the pilot burner 9 after Fig. 1 , Since the increase in the surface load is locally limited, the emission values are hardly affected.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für gasförmige Brennstoffe, mit einem Gemischverteiler, der eine Mehrzahl von Gemischdurchtrittsöffnungen aufweist und mit einer Ionisationselektrode, die an eine Regeleinrichtung angeschlossen ist.
  • Der Brenner arbeitet nach dem sogenannten SCOT-Verfahren, bei dem das von der Ionisationselektrode gelieferte Ionisationssignal elektronisch aufbereitet wird, um eine Aussage über die Flammentemperatur und damit über die Luftzahl zu liefern. Das Verfahren zielt darauf ab, die Luftzahl konstant zu halten und damit eine schadstoffarme Verbrennung von Gasen mit wechselnder Zusammensetzung zu ermöglichen. Allerdings hängt die Güte der Regelung von der Geradlinigkeit des Verlaufs des Ionisationssignals über der Brennerleistung ab.
  • Aus der EP-A2-0 339 499 ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs der Brennerplatte eines Flächenbrenners mittels einer Elektrode bekannt, die die Ionisation im Flammenbereich misst. Die Brennerflammen sind im Bereich der Elektrode in einem abgegrenzten Bereich länger als im übrigen Bereich der Brennerplatte. Um längere Flammen zu erzielen, werden die Gemischdurchtrittsöffnungen im Bereich der Elektrode kleiner bemessen als im übrigen Bereich der Brennerplatte. Dies hat eine Reduzierung der Flächenbelastung zur Folge. Alternativ wird der Brennerplatte im Bereich der Elektrode ein Gemisch mit einem verringerten Luftanteil zugeführt. Dadurch verändert sich in unerwünschter Art und Weise das Gas/Luft-Verhältnis.
  • Aus der US 4,428,726 ist ein atmosphärischer Vormischbrenner mit einer Überwachungselektrode bekannt. Im Bereich der Überwachungselektrode wird den Flammen zusätzliche Luft zugeführt, wodurch längere Flammen entstehen. Diese Lösung eignet sich nicht für Brenner, die mit überstöchiometrischer Vormischung arbeiten und deshalb besonders schadstoffarm sind.
  • Bei Vormischbrennern, denen die Verbrennungsluft mittels eines Gebläses zugeführt wird, ist insbesondere im unteren, häufig aber auch bereits im oberen Leistungsbereich eine starke Verminderung des Signals zu beobachten. Die Brenner sind aufgrund ihrer technischen Konzeption und ihrer Materialeigenschaften nicht in der Lage, der Regelung ein Ionisationssignal zur Verfügung zu stellen, welches über der Leistung weitgehend linear verläuft.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brennerregelung dahingehend zu verbessern, dass ihr ein Ionisationssignal geliefert wird, dessen Linearität über der Brennerleistung erhöht ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs genannte Vormischbrenner erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung zur Ableitung eines die Luftzahl repräsentierenden Signals aus dem Ionisationsstrom der Elektrode ausgebildet ist. Die Flächenbelastung des Vormischbrenners ist erfindungsgemäß im Bereich der Ionisationselektrode erhöht ist, indem der Ionisationselektrode ein Pilotbrenner zugeordnet ist oder indem die Gemischdurchtrittsfläche des Gemischverteilers im Bereich der Ionisationselektrode vergrößert ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Qualität des Ionisationssignals von der Flächenbelastung des Brenners abhängt. Je niedriger die Flächenbelastung ist, desto schwächer ist das Ionisationssignal und desto früher beginnt sein Abfall mit sinkender Brennerleistung. Andererseits geht der allgemeine technische Trend in Richtung auf niedrige Flächenbelastungen, um möglichst geringe Schadstoffemissionen zu erzielen.
  • Die Erfindung schafft eine örtliche Erhöhung der Flächenbelastung und ermöglicht in vielen Fällen erst den Einsatz des SCOT-Verfahrens durch entsprechende Verbesserung der Qualität des Ionisationssignals. Unter allen Umständen wird der nutzbare Leistungsbereich des Brenners nach unten hin erweitert. Die Erhöhung der Flächenbelastung ist lokal begrenzt und führt daher zu keiner, im schlimmsten Falle nur zu einer unerheblichen Beeinflussung der Emissionswerte.
  • Häufig ist es vorteilhaft, den Vormischbrenner mit einem Pilotbrenner zu versehen, der der Ionisationselektrode zugeordnet wird und mit höherer Flächenbelastung als der eigentliche Brenner arbeitet.
  • Alternativ wird vorgeschlagen, die Gemischdurchtrittsfläche des Gemischverteilers oder Flammenhalters im Bereich der Ionisationselektrode zu vergrößern.
  • Vorteilhafter für einen stabilen Brennerbetrieb kann es sein, im kritischen Bereich die Dichte der Gemischdurchtrittsöffnungen zu erhöhen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners samt Regeleinrichtung;
    • Fig. 2 ein zu Fig. 1 gehörendes Diagramm;
    • Fig. 3 einen Teil eines abgewandelten Brenners.
  • Der Vormischbrenner 1 nach Fig. 1 ist an eine Luftleitung 2 sowie an eine Gasleitung 3 angeschlossen. In der Luftleitung arbeitet ein Gebläse 4, während in der Gasleitung ein Druckregler 5 angeordnet ist. Der Druckregler 5 arbeitet in Abhängigkeit von einer Zusatzelektronik 6, die ihrerseits an eine kundenspezifische Kesselelektronik 7 angeschlossen ist. Letztere steuert außerdem das Gebläse 4.
  • Eine als Linie angedeutete Ionisationselektrode 8 liefert ihr Signal an die Zusatzelektronik 6, in der dieses Signal derart verarbeitet wird, daß es die Luftzahl des Vormischbrenners 1 repräsentiert.
  • Die Ionisationselektrode 8 ist im Bereich eines Pilotbrenners 9 angeordnet, der sowohl mit der Luftleitung 2 als auch mit der Gasleitung 3 in Verbindung steht und daher ein Gemisch verbrennt, wie es auch dem Brennerkopf 1', zugeführt wird. Allerdings ist der Pilotbrenner 9 auf eine höhere Flächenbelastung als der Brennerkopf 1', eingestellt. Die Zusatzelektronik 6 erzeugt also ein Ionisationssignal hoher Qualität.
  • In Fig. 2 ist dieses Signal über der Kesselleistung aufgetragen, und zwar im Vergleich zu demjenigen Signal, das sich ergibt, wenn die Ionisationselektrode im Bereich des mit niedriger Flächenbelastung arbeitenden Brennerkopfes 1', angeordnet ist. Ersichtlich fällt dann das Ionisationssignal mit sinkender Brennerleistung sehr stark ab, worunter die Qualität der Regelung leidet, und zwar mit der Folge, daß die Luftzahl des Vormischbrenners 1 bei Gasänderungen nicht mehr konstant gehalten werden kann.
  • Fig. 3 zeigt einen Gemischverteiler 10 eines Vormischbrenners in Form einer Brennerplatte, die mit einer Mehrzahl von Gemischdurchtrittsöffnungen 11 versehen ist. Über dem größten Flächenbereich der Brennerplatte ist die Dichte der Gemischdurchtrittsöffnungen 11 so gewählt, daß der Brenner mit niedriger Flächenbelastung arbeitet und daher günstige Emmissionswerte erzielt.
  • Die Ionisationselektrode 8 ist am linken Rand der Brennerplatte angeordnet und erstreckt sich in deren Bereich hinein. Wie dargestellt, ist hier die Dichte der Gemischdurchtrittsöffnungen 11 erhöht. Die Gemischdurchtrittsfläche ist also vergrößert, so daß der Brenner in diesem Bereich mit erhöhter Flächenbelastung arbeitet. Der Effekt entspricht dem des Pilotbrenners 9 nach Fig. 1. Da die Erhöhung der Flächenbelastung lokal begrenzt ist, werden die Emmissionswerte kaum beeinflußt.
  • Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So besteht die Möglichkeit, im Bereich der Ionisationselektrode die Größe der Gemischdurchtrittsöffnungen zu erhöhen. Auch kann abweichend von Fig. 1 der Pilotbrenner direkt mit dem Brennerkopf gekoppelt sein. Die Art der Regelelektronik ist beliebig, allerdings unter der Voraussetzung, daß aus dem Ionisationsstrom der Elektrode ein die Luftzahl repräsentierendes Signal abgeleitet werden kann.

Claims (2)

  1. Vormischbrenner für gasförmige Brennstoffe, mit einem Gemischverteiler (10) der eine Mehrzahl von Gemischdurchtrittsöffnungen (11) aufweist und einer Ionisationselektrode (8), die an eine Regeleinrichtung angeschlossen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Regeleinrichtung zur Ableitung eines die Luftzahl repräsentierenden Signals aus dem Ionisationsstrom der Elektrode ausgebildet ist,
    dass die Flächenbelastung des Vormischbrenners (1) im Bereich der Ionisationselektrode (8) erhöht ist, indem der Ionisationselektrode (8) ein Pilotbrenner (9) zugeordnet ist
    oder
    indem die Gemischdurchtrittsfläche (11) des Gemischverteilers (10) im Bereich der Ionisationselektrode (8) vergrößert ist.
  2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichte der Gemischdurchtrittsöffnungen (11) des Gemischverteilers (10) im Bereich der Ionisationselektrode (8) erhöht ist.
EP00104614A 1999-03-18 2000-03-03 Vormischbrenner für gasförmige Brennstoffe Expired - Lifetime EP1036984B3 (de)

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