EP2017531A2 - Verfahren zur Überprüfung eines Ionisationselektrodensignals bei Brennern - Google Patents

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EP2017531A2
EP2017531A2 EP08010303A EP08010303A EP2017531A2 EP 2017531 A2 EP2017531 A2 EP 2017531A2 EP 08010303 A EP08010303 A EP 08010303A EP 08010303 A EP08010303 A EP 08010303A EP 2017531 A2 EP2017531 A2 EP 2017531A2
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ionization
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Nicole Schmidt
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    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
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    • F23N5/123—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 using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2900/00—Special features of, or arrangements for controlling combustion
    • F23N2900/05001—Measuring CO content in flue gas

Definitions

  • the invention relates to a method for checking the ionisationselektrodensignals in burners.
  • Ionization electrodes are used to detect the presence of a flame. In a flame, ions can move freely. If a voltage is applied to two electrodes located in the flame area, a current flows in the flame. When the flame goes out, the current flow comes to a standstill. If the measured ionization current falls below a certain limit value, the regulation of the burner locks the gas supply in order to avoid uncontrolled gas leakage.
  • the ionization current depends on several factors. For example, the ionization current decreases when the surface of the electrodes is covered by a deposition layer due to the influence of the flame.
  • the ionization current of the fuel gas-air ratio ⁇ is dependent. For stoichiometric combustion, the ionization current is maximum.
  • a method for controlling a gas-fired burner of a heating system by means of the measurement of carbon monoxide emission in the exhaust gas is from DE 103 00 602 A1 known.
  • the fuel gas-air mixture of the burner is enriched, whereby the air ratio decreases.
  • An exhaust gas sensor measures the carbon monoxide emission in the exhaust pipe and forwards the signal to a control. If the excess of air falls below a certain level, usually around 8% of excess air, carbon monoxide emissions rise steeply. If the regulation that the carbon monoxide emission has exceeded a predetermined threshold value, the mixture is not further enriched. The mixture is then defined as lean to achieve optimum combustion.
  • the EP 770 824 A2 discloses a method for controlling a fuel gas-air mixture of a burner, in which the ionization current or the ionization voltage is detected.
  • the fuel gas-air mixture is enriched and the ionization voltage is measured. If the latter reaches a maximum, the combustion is stoichiometric. The mixture is then deliberately emaciated.
  • the absolute value of the ionization voltage may vary due to wear, contamination or bending. If the voltage maximum does not reach a certain value, a fault signal is triggered and the burner is switched off.
  • the invention has for its object to provide a method that detects a change in the ionization electrode signal early on to initiate countermeasures before the failure can.
  • this is achieved according to the features of the independent claim, characterized in that in a gas burner with a device for separate control of the fuel gas and air quantity and an exhaust gas sensor for measuring the carbon monoxide concentration or concentration of unburned hydrocarbons, the fuel gas-air mixture is enriched until the exhaust gas sensor detects a signal which corresponds to a predetermined or calculated threshold value, for this state the ionization electrode signal of an ionization electrode is detected and compared with a reference value, wherein in the case in which the ionization electrode signal falls below the reference value a warning is issued.
  • the mean value of the at least two last ionisationselektrodensignale can be formed to give instead of single influences trends greater weight. If a second reference value, which is lower than the first reference value, falls below, then the heater is switched off to avoid unsafe conditions.
  • a heating system has a burner 1 with a surrounding heat exchanger 10, to which an exhaust pipe 9, in which an exhaust gas sensor 6 is connected.
  • the burner 1 a fan 2 is connected upstream.
  • On the input side of the blower 2 is an air intake line 13, in which also a fuel gas line 12, which is separated by a gas valve 4 from the fuel gas supply 11, extends.
  • the gas valve 4 has an actuator 5.
  • the fan 2 has a drive motor 7 with speed detection 8.
  • Actuator 5, drive motor 7, speed detection 8 and exhaust gas sensor 6 are connected to a controller 3, which has a memory module 31 and computing module 32. Also with the control is an ionization electrode 14, which is positioned just above the burner 1, connected.
  • a target power of the burner 1 is calculated.
  • the memory module 31 is to the desired power a target signal for the fuel gas and Amount of air deposited.
  • the blower 2 is driven with its drive motor 7 and its speed detection and the gas valve 4 with its actuator 5, whereby a fuel gas-air mixture flows into the blower 2 and from there to the burner 1.
  • the mixture is burned on the outer surface of the burner 1, flows through the heat exchanger 10 and then flows through the exhaust pipe 9 into the open air.
  • Fig. 2 shows the relationship between carbon monoxide concentration CO, ionization current I and combustion air ratio ⁇ .
  • ionization current I ionization current I
  • combustion air ratio ⁇ 1.0
  • m L is the actual air flow and m L, min is the stoichiometric air flow.
  • the combustion of hydrocarbons into carbon dioxide always produces carbon monoxide as an intermediate. Due to the limited reaction time in the heat affected zone and insufficient mixing of fuel gas and air, in practice, however, a certain excess air is necessary to ensure complete burnout. Therefore, a CO value of well over 1000 ppm is usually reached at just over-stoichiometric combustion. Only with an excess of air of about 10%, the carbon monoxide emissions in the fully reacted exhaust gas fall significantly and reach in conventional burners values well below 100 ppm. As the air ratio increases, however, the combustion temperature drops because of the proportion of inert gases; the combustion reaction is slowed down and the reaction at the heat exchanger stops. Therefore it is off an air surplus of about 80%, a significant increase in carbon monoxide emissions.
  • the control 3 continuously controls the actuator 5 of the gas valve 4 in such a way that more and more fuel gas passes into the blower 2 at the same amount of air. As a result, the mixture is enriched; the air ratio drops.
  • the exhaust gas sensor 6 measures the carbon monoxide emission in the exhaust pipe 9 and forwards the signal to the control 3. If the controller 3 registers that the carbon monoxide emission has reached or exceeded a threshold CO limit specified in the memory module 31, then the mixture is not further enriched. It is known that such carbon monoxide emissions are achieved at an air ratio of about 1.08. First, it is assumed that a new ionization electrode; the ionization electrode signal is therefore not reduced.
  • the ionization electrode signal I 1 of the ionization electrode 14 at the predetermined threshold CO limit is measured and compared in the calculation module 32 of the controller 3 with a first reference value I limit from the memory module 31. Since the ionization electrode signal I 1 is greater than the first reference value I limit , no further measures are necessary.
  • the ionization electrode is already somewhat provided with deposits; the ionization electrode signal is lower.
  • the ionization electrode signal I 2 of the ionization electrode 14 is lower than at the beginning. Since the ionization electrode signal I 2 is still greater than the first reference value I limit , no further measures are necessary.
  • the ionization electrode is provided with strong deposits; the ionization electrode signal is significantly lower than at the beginning.
  • the ionization electrode signal I 3 of the ionization electrode 14 is smaller than the first reference value I limit . Therefore, the control 3 gives an indication of maintenance. This indication can be made, for example, in the form of a warning light or via a remote data connection to a specialist tradesman.
  • a gradient ( ⁇ CO / ⁇ ⁇ ) limit can also be preset. Furthermore, instead of a single measurement, averaging can take place over several measurements. It can be compared both with a given reference value and with the measurements of previous measurements.

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Abstract

Verfahren zur Überprüfung des Ionisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode (14) eines Gasbrenners (1), insbesondere mit Gebläse (2), mit einer elektronischen Regelung (3), welche zu einer vorgegebenen Brennerleistung ein Sollsignal für die Brenngasmenge und die Luftmenge vorgibt, einer Einrichtung zur Regelung der Brenngasmenge (4, 5) und einem Abgassensor (6), der ein der Kohlenmonoxid-Konzentration oder Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen äquivalentes Signal erzeugt, wobei das Brenngas-LuftGemisch angefettet wird bis der Abgassensor (6) ein Signal erfasst, das alleine oder in Verbindung mit mindestens einem weiteren Signal einem vorgegebenen oder errechneten Schwellwert entspricht, zu diesem Zustand das Ionisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode (14) erfasst und mit einem Referenzwert oder mit mindestens einem Messwert früherer Überprüfungen verglichen wird, wobei in dem Fall, in dem das Ionisationselektrodensignals den Referenzwert unterschreitet oder mindestens einen früheren Messwert wesentlich unterschreitet, ein Warnhinweis ausgegeben wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung des lonisationselektrodensignals bei Brennern.
  • Ionisationselektroden werden eingesetzt, um das Vorhandensein einer Flamme festzustellen. In einer Flamme können sich Ionen frei bewegen. Wird an zwei Elektroden, die sich im Flammenbereich befinden, eine Spannung angelegt, so fließt in der Flamme ein Strom. Erlischt die Flamme, so kommt auch der Stromfluss zum Erliegen. Unterschreitet der gemessene Ionisationsstrom einen bestimmten Grenzwert, so verriegelt die Regelung des Brenners die Gaszufuhr, um unkontrollierten Gasaustritt zu vermeiden.
  • Der Ionisationsstrom ist von einigen Faktoren abhängig. So nimmt beispielsweise der Ionisationsstrom ab, wenn die Oberfläche der Elektroden durch den Einfluss der Flamme mit einer Ablagerungsschicht überzogen ist.
  • Im ungünstigsten Fall kann es trotz Vorhandensein einer Flamme zu einer Brenngasabschaltung kommen, wenn die Ionisationselektroden zu stark mit Ablagerungen überzogen sind.
  • Darüber hinaus ist der Ionisationsstrom vom Brenngas-Luft-Verhältnis λ abhängig. Bei stöchiometrischer Verbrennung ist der Ionisationsstrom maximal.
  • Ein Verfahren zur Regelung eines Gasgebläsebrenners einer Heizungsanlage mit Hilfe der Messung der Kohlenmonoxidemission im Abgas ist aus der DE 103 00 602 A1 bekannt. Hierbei wird das Brenngas-Luft-Gemisch des Brenners angefettet, wodurch die Luftzahl sinkt. Ein Abgassensor misst die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr und leitet das Signal an eine Regelung weiter. Unterschreitet der Luftüberschuss einen bestimmten Wert, in der Regel sind dies ca. 8 % Luftüberschuss, so steigen die Kohlenmonoxidemissionen steil an. Registriert die Regelung, dass die Kohlenmonoxidemission einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat, so wird das Gemisch nicht weiter angefettet. Das Gemisch wird dann definiert abgemagert, um eine optimale Verbrennung zu erreichen.
  • Die EP 770 824 A2 offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Brenngas-Luft-Gemischs eines Brenners, bei dem der Ionisationsstrom oder die Ionisationsspannung erfasst wird. Während des Kalibrierverfahrens wird das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet und die Ionisationsspannung gemessen. Erreicht letztgenannte ein Maximum, so ist die Verbrennung stöchiometrisch. Das Gemisch wird dann gezielt abgemagert. Der Absolutwert der Ionisationsspannung kann aufgrund von Verschleiß, Verschmutzung oder Verbiegung variieren. Erreicht das Spannungsmaximum einen bestimmten Wert nicht, so wird ein Störsignal ausgelöst und der Brenner abgeschaltet.
  • Aus AT 411 189 B ist bekannt, dass bei nahstöchiometrischer Verbrennung die Kohlenmonoxidemissionen im Abgas sehr stark ansteigen. Zur Regelung des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines Brenners wird das Gemisch angefettet, bis hohe Kohlenmonoxidemissionen gemessen werden; das Gemisch wird dann gezielt abgemagert. Bezüglich der Ionisationsstrommessung lehrt die AT 411 189 B , dass ein Plausibilitätstest durchgeführt werden kann. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass im Bereich 1,0 < λ < 1,3 beim Anfetten sowohl der Ionisationsstrom, als die Kohlenmonoxidemissionen stetig ansteigen. Daher sieht die AT 411 189 B vor, dass in dem Fall, in dem der Ionisationsstrom ansteigt, während die Kohlenmonoxidemissionen abfallen, ein Fehler vorliegen muss, weshalb der Kalibriervorgang abgebrochen wird und die Regelung mit den alten Sollwerten weiterbetrieben wird. Fällt der Ionisationsstrom bei der Anfettung, so sollte die Verbrennung unterstöchiometrisch sein; die Kohlenmonoxidemissionen müssten dann extrem hoch sein. Werden keine solchen Emissionen gemessen, so muss gemäß der Lehre der AT 411 189 B ein Fehler vorliegen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das eine Veränderung des Ionisationselektrodensignals frühzeitig erkennt, um vor dem Ausfall Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
  • Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs dadurch gelöst, dass bei einem Gasbrenner mit einer Einrichtung zur getrennten Regelung der Brenngas- und Luftmenge und einem Abgassensor zur Messung der Kohlenmonoxid-Konzentration oder Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet wird bis der Abgassensor ein Signal erfasst, das einem vorgegebenen oder errechneten Schwellwert entspricht, zu diesem Zustand das lonisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird, wobei in dem Fall, in dem das lonisationselektrodensignals den Referenzwert unterschreitet ein Warnhinweis ausgegeben wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • So kann der Mittelwert der mindestens zwei letzten lonisationselektrodensignale gebildet werden, um anstelle von Einzeleinflüssen Trends größeres Gewicht zu geben. Wird ein zweiter Referenzwertes, der niedriger als der erste Referenzwert ist, unterschritten, so wird das Heizgerät abgeschaltet, um unsichere Zustände zu vermeiden.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • Figur 2 den Verlauf des Ionisationsstroms und der Kohlenmonoxidemissionen während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Eine Heizungsanlage gemäß Fig. 1 verfügt über einen Brenner 1 mit einem diesen umgebenden Wärmeaustauscher 10, an den sich ein Abgasrohr 9, in dem sich ein Abgassensor 6 befindet, anschließt. Dem Brenner 1 ist ein Gebläse 2 vorgeschaltet. Auf der Eingangsseite des Gebläses 2 befindet sich eine Luftansaugleitung 13, in die auch eine Brenngasleitung 12, die durch ein Gasventil 4 von der Brenngaszuführung 11 getrennt ist, reicht. Das Gasventil 4 verfügt über einen Stellantrieb 5. Das Gebläse 2 verfügt über einen Antriebsmotor 7 mit Drehzahlerfassung 8. Stellantrieb 5, Antriebsmotor 7, Drehzahlerfassung 8 und Abgassensor 6 sind mit einer Regelung 3, die über ein Speichermodul 31 und Rechenmodul 32 verfügt, verbunden. Ebenfalls mit der Regelung ist eine Ionisationselektrode 14, die knapp oberhalb des Brenners 1 positioniert ist, verbunden.
  • Beim Brennerbetrieb wird von der Regelung 3 z.B. aufgrund eines nicht dargestellten Raumthermostaten in Verbindung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Vorlauftemperaturerfassung im Rechenmodul 32 eine Sollleistung des Brenners 1 berechnet. Im Speichermodul 31 ist zu der Sollleistung ein Sollsignal für die Brenngas- und Luftmenge hinterlegt. Mit diesen Sollsignalen wird das Gebläse 2 mit seinem Antriebsmotor 7 und seiner Drehzahlerfassung sowie das Gasventil 4 mit seinem Stellantrieb 5 angesteuert, wodurch ein Brenngas-Luft-Gemisch in das Gebläse 2 und von dort zum Brenner 1 strömt. Das Gemisch wird an der äußeren Oberfläche des Brenners 1 verbrannt, durchströmt den Wärmeaustauscher 10 und strömt anschließend durch das Abgasrohr 9 ins Freie.
  • Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Kohlenmoxidkonzentration CO, Ionisationsstrom I und Verbrennungsluftverhältnis λ. Hierbei sind drei unterschiedliche Ionisationstromlinien für unterschiedliche Zustände der Ionisationselektrode dargestellt. Um eine vollständige Verbrennung zu erreichen, ist theoretisch ein Verbrennungsluftverhältnis λ von 1,0 notwendig. λ = m L m L , min
    Figure imgb0001
  • Hierbei ist mL die tatsächliche Luftmenge und mL,min die stöchiometrische Luftmenge. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid entsteht stets Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt. Aufgrund der begrenzten Reaktionszeit in der wärmebeeinflußten Zone und eine unzureichende Durchmischung von Brenngas und Luft, ist in der Praxis jedoch ein gewisser Luftüberschuss notwendig, um einen vollständigen Ausbrand zu gewährleisten. Daher hat man in der Regel bei knapp überstöchiometrischer Verbrennung einen CO-Wert von weit über 1000 ppm. Erst bei einem Luftüberschuß von ca. 10 % fallen die Kohlenmonoxid-Emissionen im ausreagierten Abgas deutlich und erreichen bei üblichen Brennern Werte deutlich unter 100 ppm. Mit Erhöhung der Luftzahl fällt jedoch - aufgrund des Anteils inerter Gase - die Verbrennungstemperatur; die Verbrennungsreaktion wird verlangsamt und es kommt zum Abbruch der Reaktion am Wärmeaustauscher. Daher ist ab einem Luftüberschuss von ca. 80 % ein deutlicher Anstieg der Kohlenmonoxidemissionen zu verzeichnen.
  • Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt ein beliebiges Brenngas-Luft-Verhältnis vor. Die Regelung 3 steuert kontinuierlich den Stellantrieb 5 des Gasventils 4 derartig, dass stetig mehr Brenngas bei gleicher Luftmenge in das Gebläse 2 gelangt. Hierdurch wird das Gemisch angefettet; die Luftzahl sinkt. Der Abgassensor 6 misst die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr 9 und leitet das Signal an die Regelung 3 weiter. Registriert die Regelung 3, dass die Kohlenmonoxidemission einen im Speichermodul 31 vorgegebenen Schwellwert COGrenz erreicht oder überschritten hat, so wird das Gemisch nicht weiter angefettet. Es ist bekannt, dass derartige Kohlenmonoxidemissionen bei einer Luftzahl von ca. 1,08 erreicht werden. Zunächst wird von einer neuwertigen Ionisationselektrode ausgegangen; das lonisationselektrodensignal ist demnach nicht gemindert. Das lonisationselektrodensignal I1 der Ionisationselektrode 14 beim vorgegebenen Schwellwert COGrenz wird gemessen und im Rechenmodul 32 der Regelung 3 mit einem ersten Referenzwert IGrenz aus dem Speichermodul 31 verglichen. Da das lonisationselektrodensignal I1 größer als der erste Referenzwert IGrenz ist, sind keine weiterführenden Maßnahmen notwendig.
  • Bei einer späteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ionisationselektrode bereits etwas mit Ablagerungen versehen; das Ionisationselektrodensignal ist geringer. Bei dem vorgegebenen Schwellwert COGrenz ist das Ionisationselektrodensignal I2 der Ionisationselektrode 14 geringer als zu Beginn. Da das Ionisationselektrodensignal I2 weiterhin größer als der erste Referenzwert IGrenz ist, sind keine weiterführenden Maßnahmen notwendig.
  • Bei einer noch späteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ionisationselektrode mit starken Ablagerungen versehen; das lonisationselektrodensignal ist deutlich geringer als zu Beginn. Bei dem vorgegebenen Schwellwert COGrenz ist das Ionisationselektrodensignal I3 der Ionisationselektrode 14 kleiner als der erste Referenzwert IGrenz. Daher gibt die Regelung 3 einen Hinweis zur Wartung aus. Dieser Hinweis kann zum Beispiel in Form einer Warnleuchte oder über eine Datenfernverbindung zu einem Fachhandwerker erfolgen.
  • Unterschreitet das Ionisationselektrodensignal einen zweiten Referenzwert IAbschalt, so wird die Brenngaszufuhr zum Brenner 1 abgeschaltet.
  • Erfindungsgemäß kann anstelle des vorgegebenen Schwellwerts COGrenz auch ein Gradient (Δ CO/Δ λ)Grenz vorgegeben werden. Ferner kann anstelle einer Einzelmessung eine Mittelwertbildung über mehrere Messungen erfolgen. Es kann sowohl mit einem vorgegebenen Referenzwert, als auch mit den Messwerten vorhergegangener Messungen verglichen werden.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Überprüfung des Ionisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode (14) eines Gasbrenners (1), insbesondere mit Gebläse (2), mit einer elektronischen Regelung (3), welche zu einer vorgegebenen Brennerleistung ein Sollsignal für die Brenngasmenge und die Luftmenge vorgibt, einer Einrichtung zur Regelung der Brenngasmenge (4, 5) und einem Abgassensor (6), der ein der Kohlenmonoxid-Konzentration oder Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen äquivalentes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet wird bis der Abgassensor (6) ein Signal erfasst, das alleine oder in Verbindung mit mindestens einem weiteren Signal einem vorgegebenen oder errechneten Schwellwert entspricht, zu diesem Zustand das lonisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode (14) erfasst und mit einem Referenzwert oder mit mindestens einem Messwert früherer Überprüfungen verglichen wird, wobei in dem Fall, in dem das Ionisationselektrodensignals den Referenzwert unterschreitet oder mindestens einen früheren Messwert wesentlich unterschreitet, ein Warnhinweis ausgegeben wird.
  2. Verfahren zur Überprüfung des Ionisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode (14) eines Gasbrenners (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert der mindestens zwei letzten Ionisationselektrodensignale bei Referenzbedingung gebildet und mit dem Referenzwert oder dem Mittelwert der mindestens zwei vorhergegangenen lonisationselektrodensignale bei Referenzbedingung verglichen wird.
  3. Verfahren zur Überprüfung des lonisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode (14) eines Gasbrenners (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines zweiten Referenzwertes, der niedriger als der erste Referenzwert ist, oder in dem Fall, in dem mindestens ein früherer Messwert wesentlich unterschritten wird, das Heizgerät abgeschaltet wird.
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