EP3978805A1 - Combustion device , method for operating a combustion device and heating apparatus - Google Patents
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Definitions
- the invention also relates to a method for operating a combustion device to provide an air/fuel gas mixture flow from an air flow and a fuel gas flow, in particular a hydrogen flow, with at least one predeterminable air ratio ⁇ in the mixture flow, and for the combustion of the mixture flow, with a heat output being generated by the combustion.
- the mixture flow has a definable air/fuel gas ratio or an air ratio ⁇ .
- An air/fuel gas ratio is to be understood here as a quantity ratio of air to fuel gas.
- the fact that the air/fuel gas ratio can be predetermined means in particular that the quantity ratio can be adjusted.
- the mixture flow is ignited in the combustion device and burned to form a flame.
- the combustion device comprises a burner mouth or burner surface, which acts as a flame holder: here the flame is intended to burn in a spatially stable manner.
- the energy (heat) released during combustion per unit of time is determined by the size of the mixture flow that is burned, in particular the size of the fuel flow that is burned.
- the energy released per unit of time characterizes the heat output of the combustion device.
- the air conveying unit is controlled in particular by an electrical signal.
- the air flow can be conveyed in particular as a function of a power requirement, for example a heating power requirement or a temperature requirement, to the combustion device and/or the heater.
- a size of the conveyed air volume flow in Depending on a size of a requested heating output.
- a required heating output is understood to mean, in particular, a theoretically required heating output that is used to meet a user's need for space heating and/or domestic hot water preparation.
- an actual heating output is a measurable quantity that correlates with the quantity of the mixture flow that is used for combustion.
- a network means in particular that a target value of a first variable, for example the air flow, for example using an electrical signal, is specified, and that a target value of a subsequent variable, for example the fuel gas flow, for example using an electrical or a pressure signal, in the compound, adapted to the resulting actual value of the first variable is tracked.
- a variable combination means that the target value of the following variable is not only adapted to the actual value of the first variable, but that this adaptation is also varied as a function of a third variable, here the heating output.
- the value of the air/fuel gas ratio is controlled, so that a heat output-dependent air/fuel gas ratio is set.
- the fact that the air/fuel gas ratio is varied as a function of the heating output means that the size of the heating output at least partly determines the value of the air/fuel gas ratio.
- the invention provides a method for operating a combustion device that is improved over the known prior art.
- Air/fuel gas mixture flows with an air ratio ⁇ from the value range mentioned above are particularly advantageous to burn.
- air-hydrogen mixture streams with an air ratio ⁇ from the value range mentioned above can be burned particularly advantageously.
- the combustion of such an air-fuel gas mixture flow is characterized by reliable ignition, high flame stability (avoidance of rising flames and flashback), optimal thermal efficiency, complete combustion with low pollutant values, low noise and compatibility with commercially available pneumatic air-gas ratio controls.
- the fuel gas metering unit can be regulated in particular by means of an electrical signal or a pressure signal which is output by the control device to the fuel gas metering unit.
- a relatively smaller (or larger) fuel gas flow expresses the fact that the reduction (or increase) in the metering of the fuel gas flow with a smaller (or larger) heating output is not proportional, but disproportionate, so that the air/ Fuel gas ratio and the air ratio ⁇ increases with a lower heating output and decreases with a higher heating output.
- a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the control device receives and processes a power signal characterizing the heating output, the power signal being based on a detection of an actual or requested heating output, the mixture flow, the fuel gas flow, the air flow, a fan speed of an air fan promoting the air flow and/or a combustion temperature of the combustion of the air/fuel gas mixture flow, the control device generating the mixture signal on the basis of the power signal.
- the values of the lower air ratio limit curve ⁇ -min and the upper air ratio limit curve ⁇ -max depend on the heating output value.
- Q stands for the value of the relative heating power of the combustion device 100.
- the fuel gas metering unit 104 and at least parts of the control device 110 figure 1 can be formed in particular by a pneumatic air/fuel gas ratio regulator 112 .
- a pneumatic air/combustion gas ratio controller 112 can be understood in particular as a fitting made up of a control device 110 and a combustible gas metering unit 104 combined to form a structural unit.
- the air/fuel gas ratio controller 112 receives a power signal S21 describing an air flow A, for example an air pressure signal, translates this into a mixture signal S3, for example an actuating signal for a fuel gas pressure, opens the gas valve in particular for setting a fuel gas pressure in correlation to the air pressure, and meters a Fuel gas flow G corresponding to air flow A.
- the aforementioned correlation is defined by adjustments made to the air/fuel gas ratio controller 112 (e.g. an offset adjustment to the ratio, in particular difference, of fuel gas pressure and air pressure).
Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung zur Bereitstellung eines Luft-Brenngas-Gemischstroms aus einem Luftstrom und einem Brenngasstrom, insbesondere einem Wasserstoffstrom, in zumindest einem vorgebbaren Luft/Brenngas-Verhältnis, und zur Verbrennung des Gemischstroms, wobei durch die Verbrennung eine Heizleistung erzeugt wird, wobei eine Luftfördereinheit einen Luftstrom fördert, insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung, eine Brenngasdosiereinheit einen Brenngasstrom dosiert, insbesondere in Abhängigkeit des Luftstroms, und eine Mischereinheit den Gemischstrom mischt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Brenngas-Verhältnis mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit der Heizleistung variiert wird, wobei das Luft/Brenngas-Verhältnis bei kleinerer Heizleistung einen größeren Wert annimmt und/oder bei größerer Heizleistung einen kleineren Wert annimmt. Insbesondere wird eine Luftzahl λ des Luft-Brenngas-Gemischstroms auf einen Wert innerhalb eines ausgewählten Luftzahl-Werteintervalls geregelt wird, wobei die Intervallgrenzen von heizleistungsabhängigen Luftzahlverläufen λ = λ(Q) gebildet werden.The invention is based on a method for operating a combustion device to provide an air/fuel gas mixture flow from an air flow and a fuel gas flow, in particular a hydrogen flow, in at least one predeterminable air/fuel gas ratio, and for the combustion of the mixture flow, the combustion a heating output is generated, with an air conveying unit conveying an air flow, in particular depending on a power requirement, a fuel gas metering unit metering a fuel gas flow, in particular depending on the air flow, and a mixer unit mixing the mixture flow. The invention is characterized in that the air/fuel gas ratio is varied by means of a control device as a function of the heat output, the air/fuel gas ratio assuming a larger value with a smaller heat output and/or a smaller value with a larger heat output. In particular, an air ratio λ of the air/fuel gas mixture flow is regulated to a value within a selected air ratio value interval, the interval boundaries being formed by heat output-dependent air ratio curves λ=λ(Q).
Description
Aus dem Stand der Technik ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung zur Bereitstellung eines Luft-Brenngas-Gemischstroms aus einem Luftstrom und einem Brenngasstrom in einem vorgebbaren Luft/Brenngas-Verhältnis, und zur Verbrennung des Gemischstroms, bekannt, bei dem durch die Verbrennung eine Heizleistung erzeugt wird und wobei eine Luftfördereinheit einen Luftstrom fördert, eine Brenngasdosiereinheit einen Brenngasstrom dosiert und eine Mischereinheit den Gemischstrom mischt.A method for operating a combustion device for providing an air/fuel gas mixture flow from an air flow and a fuel gas flow in a definable air/fuel gas ratio and for burning the mixture flow is already known from the prior art, in which the combustion produces a Heat output is generated and wherein an air conveying unit promotes an air flow, a fuel gas metering unit meters a fuel gas flow and a mixer unit mixes the mixture flow.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung zur Bereitstellung eines Luft-Brenngas-Gemischstroms aus einem Luftstrom und einem Brenngasstrom, insbesondere einem Wasserstoffstrom, in zumindest einem vorgebbaren Luft/Brenngas-Verhältnis, und zur Verbrennung des Gemischstroms, wobei durch die Verbrennung eine Heizleistung erzeugt wird.The invention is based on a method for operating a combustion device to provide an air/fuel gas mixture flow from an air flow and a fuel gas flow, in particular a hydrogen flow, in at least one predeterminable air/fuel gas ratio, and for the combustion of the mixture flow, the combustion a heat output is generated.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Brenngas-Verhältnis mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit der Heizleistung variiert wird, wobei das Luft/Brenngas-Verhältnis bei kleinerer Heizleistung einen größeren Wert annimmt und/oder bei größerer Heizleistung einen kleineren Wert annimmt.The invention is characterized in that the air/fuel gas ratio is varied by means of a control device as a function of the heat output, the air/fuel gas ratio assuming a larger value with a smaller heat output and/or a smaller value with a larger heat output.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung zur Bereitstellung eines Luft-Brenngas-Gemischstroms aus einem Luftstrom und einem Brenngasstrom, insbesondere einem Wasserstoffstrom, mit zumindest einer vorgebbaren Luftzahl λ im Gemischstrom, und zur Verbrennung des Gemischstroms, wobei durch die Verbrennung eine Heizleistung erzeugt wird.The invention also relates to a method for operating a combustion device to provide an air/fuel gas mixture flow from an air flow and a fuel gas flow, in particular a hydrogen flow, with at least one predeterminable air ratio λ in the mixture flow, and for the combustion of the mixture flow, with a heat output being generated by the combustion.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Regeleinrichtung die Luftzahl λ des Luft-Brenngas-Gemischstroms auf einen Wert innerhalb des Luftzahl-Werteintervalls
Insbesondere fördert eine Luftfördereinheit den Luftstrom, insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung, dosiert eine Brenngasdosiereinheit den Brenngasstrom, insbesondere in Abhängigkeit des Luftstroms, und mischt eine Mischereinheit den Gemischstrom.In particular, an air conveying unit promotes the air flow, in particular as a function of a power requirement, a fuel gas metering unit meters the fuel gas flow, in particular as a function of the air flow, and a mixer unit mixes the mixture flow.
Unter einer Verbrennungsvorrichtung soll hier insbesondere ein Brenner oder eine Brennervorrichtung verstanden werden, mit deren Hilfe ein brennbarer Gemischstrom bereitgestellt und verbrannt werden kann. Eine Anwendung findet die Verbrennungsvorrichtung insbesondere bei einem Heizgerät, beispielsweise ein Heizgerät zur Beheizung zumindest eines Raumes und/oder zur Erwärmung zumindest eines Nutzfluids wie Heizungswasser und/oder Trinkwasser. Bei dem Gemischstrom handelt es sich um einen einen Luftstrom und einen Brenngasstrom umfassenden Gasstrom. Der Luftstrom wird insbesondere einer Aufstellumgebung der Verbrennungsvorrichtung oder einer Außenumgebung eines Gebäudes, in dem die Verbrennungsvorrichtung aufgestellt ist, entnommen. Der Brenngasstrom wird insbesondere einer Brenngasleitung oder einem Brenngastank entnommen. Die Verbrennungsvorrichtung ist insbesondere zur Verwendung des Brenngases Wasserstoff konzipiert. Alternativ oder ergänzend kann die Verbrennungsvorrichtung auch zur Verwendung anderer Brenngase konzipiert sein. Zu seiner sauberen und effizienten Verbrennung weist der Gemischstrom ein vorgebbares Luft/Brenngas-Verhältnis beziehungsweise eine Luftzahl λ auf. Unter einem Luft/Brenngas-Verhältnis ist hier ein Mengenverhältnis von Luft zu Brenngas zu verstehen. Darunter, dass das Luft/Brenngas-Verhältnis vorgebbar ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das Mengenverhältnis einstellbar ist. Der Gemischstrom wird in der Verbrennungsvorrichtung gezündet und unter Ausbildung einer Flamme verbrannt. Die Verbrennungsvorrichtung umfasst eine Brennermündung oder Brenneroberfläche, die als Flammenhalter fungiert: hier soll die Flamme räumlich stabil brennen. Die bei der Verbrennung pro Zeiteinheit frei werdende Energie (Wärme) wird durch die Größe des verbrannten Gemischstroms, insbesondere die Größe des verbrannten Brennstoffstroms, bestimmt. Die pro Zeiteinheit frei werdende Energie charakterisiert die Heizleistung der Verbrennungsvorrichtung. Die Heizleistung ist zwischen einer minimalen Heizleistung und einer maximalen Heizleistung stufig oder kontinuierlich modulierbar. Unter dem Begriff der Heizleistung kann sowohl eine absolute Heizleistung (Einheit Watt) als auch eine relative Heizleistung verstanden werden. Die relative Heizleistung berechnet sich als die tatsächliche absolute Heizleistung bezogen auf die maximale absolute Heizleistung. Bei der relativen Heizleistung handelt es sich um eine dimensionslose Größe mit Werten im Allgemeinen zwischen 0 und 1. Da aber eine reale Verbrennungsvorrichtung in der Regel nicht bei einer relativen Heizleistung knapp über 0 betrieben werden kann, liegen die Werte der relativen Heizleistung in der Realität bei 0 für den ausgeschalteten Zustand (keine Verbrennung) sowie im Feuerungsbetrieb zwischen beispielsweise 0,05 und 1. Unter einer Luftfördereinheit wird eine Einrichtung zum Fördern des Luftstroms verstanden, dabei kann es sich insbesondere um ein - insbesondere drehzahlgeregeltes - Luftgebläse oder Luftventilator oder ein Luftventil handeln. Die Luftfördereinheit wird insbesondere von einem elektrischen Signal gesteuert. Die Förderung des Luftstroms kann insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung, beispielsweise eine Heizleistungsanforderung oder eine Temperaturanforderung, an die Verbrennungsvorrichtung und/oder das Heizgerät erfolgen. Insbesondere kann eine Größe des geförderten Luftvolumenstroms in Abhängigkeit einer Größe einer angeforderten Heizleistung erfolgen. Unter einer angeforderten Heizleistung wird insbesondere eine theoretisch erforderliche Heizleistung verstanden, die zur Erfüllung eines Bedarfs eines Nutzers zur Raumheizung und/oder Trinkwarmwasserbereitung dient. Im Gegensatz dazu ist eine tatsächliche Heizleistung eine messbare Größe, die mit der Größe des zur Verbrennung gelangenden Gemischstroms korreliert. Unter einer Brenngasdosiereinheit wird eine Einrichtung zum Dosieren des Brenngasstroms verstanden, dabei kann es sich insbesondere um ein Brenngasventil oder eine Brenngasarmatur handeln. Die Brenngasdosiereinheit wird insbesondere von einem elektrischen und/oder einem Drucksignal geregelt. Die Dosierung des Brenngasstroms kann insbesondere in Abhängigkeit des Luftstroms erfolgen. Insbesondere kann eine Größe des dosierten Brenngasstroms in Abhängigkeit der Größe des Luftstroms erfolgen. Unter einer Mischereinheit wird eine Einrichtung zum Zusammenführen und Mischen von Luftstrom und Brenngasstrom und Erzeugen des Luft-Brenngas-Gemischstroms verstanden, dabei kann es sich insbesondere um einen Venturimischer handeln.A combustion device is to be understood here in particular as meaning a burner or a burner device, with the aid of which a combustible mixture flow can be provided and burned. The combustion device is used in particular in a heater, for example a heater for heating at least one room and/or for heating at least one useful fluid such as heating water and/or drinking water. The mixture flow is a gas flow comprising an air flow and a fuel gas flow. In particular, the air flow is taken from an installation environment of the combustion device or an exterior environment of a building in which the combustion device is installed. The fuel gas flow is in particular a fuel gas line or taken from a fuel gas tank. The combustion device is designed in particular for using the fuel gas hydrogen. Alternatively or additionally, the combustion device can also be designed to use other fuel gases. For its clean and efficient combustion, the mixture flow has a definable air/fuel gas ratio or an air ratio λ. An air/fuel gas ratio is to be understood here as a quantity ratio of air to fuel gas. The fact that the air/fuel gas ratio can be predetermined means in particular that the quantity ratio can be adjusted. The mixture flow is ignited in the combustion device and burned to form a flame. The combustion device comprises a burner mouth or burner surface, which acts as a flame holder: here the flame is intended to burn in a spatially stable manner. The energy (heat) released during combustion per unit of time is determined by the size of the mixture flow that is burned, in particular the size of the fuel flow that is burned. The energy released per unit of time characterizes the heat output of the combustion device. The heating output can be gradually or continuously modulated between a minimum heating output and a maximum heating output. The term heating output can be understood to mean both an absolute heating output (unit watt) and a relative heating output. The relative heating output is calculated as the actual absolute heating output in relation to the maximum absolute heating output. The relative heating power is a dimensionless variable with values generally between 0 and 1. However, since a real combustion device cannot usually be operated with a relative heating power just above 0, the values of the relative heating power are in reality 0 for the switched-off state (no combustion) and in firing mode between 0.05 and 1, for example. An air conveying unit is understood to mean a device for conveying the air flow, which can in particular be an - in particular speed-controlled - air blower or air fan or an air valve . The air conveying unit is controlled in particular by an electrical signal. The air flow can be conveyed in particular as a function of a power requirement, for example a heating power requirement or a temperature requirement, to the combustion device and/or the heater. In particular, a size of the conveyed air volume flow in Depending on a size of a requested heating output. A required heating output is understood to mean, in particular, a theoretically required heating output that is used to meet a user's need for space heating and/or domestic hot water preparation. In contrast, an actual heating output is a measurable quantity that correlates with the quantity of the mixture flow that is used for combustion. A fuel gas dosing unit is understood to mean a device for dosing the flow of fuel gas, which can in particular be a fuel gas valve or a fuel gas fitting. The fuel gas metering unit is controlled in particular by an electrical and/or a pressure signal. The fuel gas flow can be metered in particular as a function of the air flow. In particular, the size of the metered fuel gas flow can be dependent on the size of the air flow. A mixer unit is understood to mean a device for bringing together and mixing the air flow and fuel gas flow and generating the air/fuel gas mixture flow, and this can in particular be a venturi mixer.
Unter einer Regeleinrichtung wird eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln zumindest eines Verfahrensschrittes, insbesondere des Variierens des Luft/Brenngas-Verhältnisses und/oder der Luftzahl λ, verstanden. Unter einem Regeln wird hier übergreifend ein Steuern und/oder Regeln im engeren Sinn verstanden. Unter einer Regelung wird hier übergreifend eine Steuerung und/oder Regelung im engeren Sinn verstanden. Mit dem Variieren wird das Luft/Brenngas-Verhältnis und/oder die Luftzahl λ vorgebbar verändert. Mittels der Regeleinrichtung kann eine variierbare Verbundregelung zum Regeln des Luft/Brenngas-Verhältnisses und/oder der Luftzahl λ aufgebaut sein. Ein Verbund bedeutet insbesondere, dass ein Sollwert einer ersten Größe, beispielsweise des Luftstroms, beispielsweise anhand eines elektrischen Signals, vorgegeben wird, und dass ein Sollwert einer Folgegröße, beispielsweise des Brenngasstroms, beispielsweise anhand eines elektrischen oder eines Drucksignals, im Verbund, angepasst an den resultierenden Istwert der ersten Größe, nachgeführt wird. Ein variierbarer Verbund bedeutet, dass der Sollwert der Folgegröße nicht nur an den Istwert der ersten Größe angepasst wird, sondern darüber hinaus diese Anpassung in Abhängigkeit einer dritten Größe, hier der Heizleistung, variiert wird. Im Ergebnis wird so der Wert des Luft/Brenngas-Verhältnisses geregelt, so dass sich ein heizleistungsabhängiges Luft/Brenngas-Verhältnis einstellt. Darunter, dass das Luft/Brenngas-Verhältnis in Abhängigkeit der Heizleistung variiert wird, ist zu verstehen, dass die Größe der Heizleistung den Wert des Luft/Brenngas-Verhältnisses zumindest mitbestimmt.A control device is understood to mean a device for controlling and/or regulating at least one method step, in particular for varying the air/fuel gas ratio and/or the air ratio λ. Here, regulation is understood to mean control and/or regulation in the narrower sense. A regulation is understood here to mean a control and/or regulation in the narrower sense. With the variation, the air/fuel gas ratio and/or the air ratio λ is changed in a predetermined manner. A variable compound control for controlling the air/fuel gas ratio and/or the air ratio λ can be set up by means of the control device. A network means in particular that a target value of a first variable, for example the air flow, for example using an electrical signal, is specified, and that a target value of a subsequent variable, for example the fuel gas flow, for example using an electrical or a pressure signal, in the compound, adapted to the resulting actual value of the first variable is tracked. A variable combination means that the target value of the following variable is not only adapted to the actual value of the first variable, but that this adaptation is also varied as a function of a third variable, here the heating output. As a result, the value of the air/fuel gas ratio is controlled, so that a heat output-dependent air/fuel gas ratio is set. The fact that the air/fuel gas ratio is varied as a function of the heating output means that the size of the heating output at least partly determines the value of the air/fuel gas ratio.
Die Regeleinrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass das Luft/Brenngas-Verhältnis und/oder die Luftzahl λ bei kleinerer Heizleistung einen größeren Wert annimmt und/oder bei größerer Heizleistung einen kleineren Wert annimmt. Dabei greift die Regeleinrichtung insbesondere auch in den Betrieb der Luftfördereinheit, der Brenngasdosiereinheit und/oder der Mischereinheit ein. Insbesondere wird das Luft/Brenngas-Verhältnis mit kleiner werdender Heizleistung vergrößert und mit größer werdender Heizleistung verkleinert. Die Variation des Luft/Brenngas-Verhältnisses über der Heizleistung kann einen stufigen Verlauf oder einen kontinuierlichen Verlauf aufweisen. Unter Vergrößern des Luft/Brenngas-Verhältnisses wird hier ein Abmagern des Luft-Brenngas-Gemischstroms, also ein Verringern des Brenngasgehalts im Gemischstrom, verstanden. Unter Verkleinern des Luft/Brenngas-Verhältnisses wird hier ein Anfetten des Luft-Brenngas-Gemischstroms, also ein Anreichern des Brenngasgehalts im Gemischstrom, verstanden. Der Luftstrom, der Brenngasstrom und/oder der Gemischstrom sind mengenvariabel und zwischen einem jeweiligen minimalen Wert und einem jeweiligen maximalen Wert stufig oder kontinuierlich modulierbar.The control device is designed in particular in such a way that the air/fuel gas ratio and/or the air ratio λ assumes a larger value with a smaller heating output and/or assumes a smaller value with a larger heating output. In this case, the control device intervenes in particular in the operation of the air conveying unit, the fuel gas metering unit and/or the mixer unit. In particular, the air/fuel gas ratio increases as the heating output decreases and decreases as the heating output increases. The variation of the air/fuel gas ratio over the heating output can have a stepped profile or a continuous profile. Increasing the air/fuel gas ratio is understood here to mean a leaning of the air/fuel gas mixture flow, ie a reduction in the fuel gas content in the mixture flow. Reducing the air/fuel gas ratio is understood here to mean enriching the air/fuel gas mixture flow, ie enriching the fuel gas content in the mixture flow. The air flow, the fuel gas flow and/or the mixture flow are variable in quantity and can be modulated stepwise or continuously between a respective minimum value and a respective maximum value.
Die Regeleinrichtung kann insbesondere als eigenständige Komponente "Regelgerät" ausgebildet sein. Die Regeleinrichtung kann alternativ oder ergänzend (im Sinn eines verteilten Systems) auch als Teil der Luftfördereinheit, der Brenngasdosiereinheit und/oder der Mischereinheit ausgebildet sein.The control device can in particular be designed as an independent component "control unit". Alternatively or additionally (in the sense of a distributed system), the control device can also be designed as part of the air conveying unit, the fuel gas metering unit and/or the mixer unit.
Die Luftzahl λ ist ein in der Feuerungstechnik verwendeter spezieller Parameter zur Charakterisierung des Luft/Brenngas-Verhältnisses eines Luft-Brenngas-Gemischstroms. Die Luftzahl λ wird als Quotient aus einer tatsächlich im Gemischstrom vorhandenen Luftmenge L und einer für eine stöchiometrische Verbrennung des Gemischstroms benötigten Luftmenge L-st berechnet:
Die relative Heizleistung Q wird als Quotient aus der tatsächlichen absoluten Heizleistung P und der maximalen absoluten Heizleistung P-max berechnet:
Die oben aufgeführten Formelausdrücke für die Grenzen des Luftzahl-Werteintervalls sind mathematisch definiert für relative Heizleistungen Q aus dem Intervall:
Dass die Herausnahme des Wertes Q = 0 keine Einschränkung der Gültigkeit des angegebenen Luftzahl-Werteintervalls für die Verbrennungspraxis darstellt, wird aus den obigen Ausführungen zu realen Verbrennungsvorrichtungen deutlich, denenzufolge die Werte der relativen Heizleistung Q im realen Feuerungsbetrieb zwischen Q-min, beispielsweise ein Wert aus einem Bereich zwischen 0,05 und 0,1, und Q-max = 1 liegen, und nur für den ausgeschalteten Zustand (keine Gemischbildung, keine Verbrennung, keine sinnvolle Luftzahldefinition möglich) den Wert Q = 0 annehmen.The fact that the removal of the value Q = 0 does not limit the validity of the specified air ratio value interval for combustion practice is clear from the above statements on real combustion devices, according to which the values of the relative heating output Q in real combustion operation are between Q-min, for example a value from a range between 0.05 and 0.1, and Q-max = 1, and only for the switched-off state (no mixture formation, no combustion, no meaningful air ratio definition possible) assume the value Q = 0.
Mit der Erfindung ist ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung geschaffen.The invention provides a method for operating a combustion device that is improved over the known prior art.
Luft-Brenngas-Gemischströme mit einer Luftzahl λ aus dem oben genannten Werteintervall sind besonders vorteilhaft zu verbrennen. Insbesondere sind Luft-Wasserstoff-Gemischströme mit einer Luftzahl λ aus dem oben genannten Werteintervall besonders vorteilhaft zu verbrennen. Die Verbrennung eines solchen Luft-Brenngas-Gemischstroms zeichnet sich aus durch eine sichere Zündung, hohe Flammenstabilität (Vermeidung von abhebenden Flammen und Flammenrückschlag), optimale thermische Wirkungsgrade, eine vollständige Verbrennung mit niedrigen Schadstoffwerten, geringe Geräuschbildung sowie Kompatibilität mit handelsüblichen pneumatischen Luft-Gas-Verhältnisreglern.Air/fuel gas mixture flows with an air ratio λ from the value range mentioned above are particularly advantageous to burn. In particular, air-hydrogen mixture streams with an air ratio λ from the value range mentioned above can be burned particularly advantageously. The combustion of such an air-fuel gas mixture flow is characterized by reliable ignition, high flame stability (avoidance of rising flames and flashback), optimal thermal efficiency, complete combustion with low pollutant values, low noise and compatibility with commercially available pneumatic air-gas ratio controls.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die Brenngasdosiereinheit in Abhängigkeit der Heizleistung regelt, wobei die Brenngasdosiereinheit bei kleinerer Heizleistung einen relativ kleineren Brenngasstrom dosiert, und bei größerer Heizleistung einen relativ größeren Brenngasstrom dosiert.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the control device regulates the fuel gas metering unit as a function of the heat output, with the fuel gas metering unit metering a relatively smaller fuel gas flow for a smaller heat output and a relatively larger fuel gas flow for a larger heat output.
Das Regeln der Brenngasdosiereinheit kann insbesondere mittels eines elektrischen Signals oder eines Drucksignals erfolgen, das von der Regeleinrichtung an die Brenngasdosiereinheit ausgegeben wird.The fuel gas metering unit can be regulated in particular by means of an electrical signal or a pressure signal which is output by the control device to the fuel gas metering unit.
Der Begriff "ein relativ kleinerer (bzw. größerer) Brenngasstrom" bringt zum Ausdruck, dass die Verkleinerung (bzw. Vergrößerung) der Dosierung des Brenngasstroms bei kleinerer (bzw. größerer) Heizleistung insbesondere nicht proportional, sondern überproportional erfolgt, so dass das Luft/Brenngas-Verhältnis und die Luftzahl λ bei kleinerer Heizleistung größer bzw. bei größerer Heizleistung kleiner wird.The term "a relatively smaller (or larger) fuel gas flow" expresses the fact that the reduction (or increase) in the metering of the fuel gas flow with a smaller (or larger) heating output is not proportional, but disproportionate, so that the air/ Fuel gas ratio and the air ratio λ increases with a lower heating output and decreases with a higher heating output.
Insbesondere regelt die Regeleinrichtung die Brenngasdosiereinheit in Abhängigkeit der Heizleistung, so dass sich im Gemischstrom eine Luftzahl λ innerhalb des oben genannten Luftzahl-Werteintervalls einstellt.In particular, the control device regulates the fuel gas metering unit as a function of the heating output, so that an air ratio λ is set in the mixture flow within the above-mentioned air ratio value interval.
Insbesondere kann die Regeleinrichtung als verteiltes System auch Luftstrom berührte Teile umfassen, beispielsweise Luftdurchsatzmessgeräte oder Luftdrucksonden, die eine Größe des Luftstroms erfassen. Der Brenngasstrom wird entsprechend der Größe des Luftstroms und in Abhängigkeit der Heizleistung so dosiert, dass sich im Gemischstrom eine Luftzahl innerhalb des oben genannten Luftzahl-Werteintervalls einstellt.In particular, as a distributed system, the control device can also include parts that come into contact with the air flow, for example air throughput measuring devices or air pressure probes, which record a size of the air flow. The fuel gas flow is metered in accordance with the size of the air flow and depending on the heating output in such a way that an air ratio within the above-mentioned air ratio value interval is set in the mixture flow.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die Luftfördereinheit in Abhängigkeit der Heizleistung regelt, wobei die Luftfördereinheit bei kleinerer Heizleistung einen relativ größeren Luftstrom fördert, und bei größerer Heizleistung einen relativ kleineren Luftstrom fördert.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the control device regulates the air conveying unit as a function of the heating output, the air conveying unit conveying a relatively larger air flow with a smaller heating capacity and a relatively smaller air flow with a larger heating capacity.
Das Regeln der Luftfördereinheit kann insbesondere mittels eines elektrischen Signals oder eines Drucksignals erfolgen, das von der Regeleinrichtung an die Luftfördereinheit ausgegeben wird.The air conveying unit can be regulated in particular by means of an electrical signal or a pressure signal which is output by the regulating device to the air conveying unit.
Der Begriff "ein relativ größerer (bzw. kleinerer) Luftstrom" bringt zum Ausdruck, dass die Verkleinerung (bzw. Vergrößerung) der Förderung des Luftstroms bei kleinerer (bzw. größerer) Heizleistung insbesondere nicht proportional, sondern überproportional erfolgt, so dass das Luft/Brenngas-Verhältnis und die Luftzahl λ bei kleinerer Heizleistung größer bzw. bei größerer Heizleistung kleiner wird.The term "a relatively larger (or smaller) air flow" expresses the fact that the reduction (or increase) in the promotion of the air flow with a smaller (or larger) heating output is not proportional, but disproportionate, so that the air/ Fuel gas ratio and the air ratio λ increases with a lower heating output and decreases with a higher heating output.
Insbesondere regelt die Regeleinrichtung die Luftfördereinheit in Abhängigkeit der Heizleistung, so dass sich im Gemischstrom eine Luftzahl innerhalb des oben genannten Luftzahl-Werteintervalls einstellt.In particular, the control device regulates the air conveying unit as a function of the heating output, so that an air ratio within the above-mentioned air ratio value range is set in the mixture flow.
Insbesondere kann die Regeleinrichtung als verteiltes System auch Brenngasstrom berührte Teile umfassen, beispielsweise Brenngasdurchsatzmessgeräte oder Brenngasdrucksonden, die eine Größe des Brenngasstroms erfassen. Der Luftstrom wird entsprechend der Größe des Brenngasstroms und in Abhängigkeit der Heizleistung so dosiert, dass sich im Gemischstrom eine Luftzahl innerhalb des oben genannten Luftzahl-Werteintervalls einstellt.In particular, the control device as a distributed system can also include parts that come into contact with the fuel gas flow, for example fuel gas throughput measuring devices or fuel gas pressure probes, which record a size of the fuel gas flow. The air flow is metered in accordance with the size of the fuel gas flow and depending on the heating output in such a way that an air ratio within the above-mentioned air ratio value range is set in the mixture flow.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung in Abhängigkeit der Heizleistung ein Gemischsignal erzeugt und an die Brenngasdosiereinheit und/oder die Luftfördereinheit ausgibt. Dabei ist das Gemischsignal dazu vorgesehen, bei kleinerer Heizleistung einen relativ kleineren Brenngasstrom zu dosieren und/oder einen relativ größeren Luftstrom zu fördern; und bei größerer Heizleistung einen relativ größeren Brenngasstrom zu dosieren und/oder einen relativ kleineren Luftstrom zu fördern. Die hier angesprochene Heizleistung kann eine erfasste tatsächliche Heizleistung oder auch eine angeforderte Heizleistung sein.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the control device generates a mixture signal as a function of the heating power and outputs it to the fuel gas metering unit and/or the air conveying unit. The mixture signal is intended to meter a relatively smaller fuel gas flow and/or to promote a relatively larger air flow at a lower heating output; and metering a relatively larger flow of fuel gas and/or promoting a relatively smaller flow of air with a greater heating output. The heating power addressed here can be a detected actual heating power or a requested heating power.
Das Gemischsignal kann insbesondere ein elektrisches Signal oder ein Drucksignal sein. Darunter, dass die Regeleinrichtung in Abhängigkeit der Heizleistung ein Gemischsignal erzeugt, kann insbesondere verstanden werden, dass in der Regeleinrichtung eine Korrelation zwischen Heizleistung und Gemischsignal - in Form eines Mechanismusses, einer Wertetabelle, einer mathematischen Funktion und/oder eines Algorithmusses - abrufbar ist, die der Erzeugung des Gemischsignals zugrunde gelegt wird. Das Gemischsignal umfasst insbesondere ein einzelnes Signal oder zwei Teilsignale, eins für die Luftfördereinheit und/oder ein anderes für die Brenngasdosiereinheit, und wirkt insbesondere auf die Luftstromförderung der Luftfördereinheit und/oder die Brenngasstromdosierung der Brenngasdosiereinheit.The mixture signal can in particular be an electrical signal or a pressure signal. Including that the control device depending on the Heating power generates a mixture signal, it can be understood in particular that a correlation between heating power and mixture signal - in the form of a mechanism, a table of values, a mathematical function and/or an algorithm - can be called up in the control device, on which the generation of the mixture signal is based. The mixture signal comprises in particular a single signal or two partial signals, one for the air delivery unit and/or another for the fuel gas metering unit, and acts in particular on the air flow delivery of the air delivery unit and/or the fuel gas flow metering of the fuel gas metering unit.
Insbesondere regelt die Regeleinrichtung die Luftfördereinheit und/oder die Brenngasdosiereinheit in Abhängigkeit der Heizleistung, so dass sich im Gemischstrom eine Luftzahl innerhalb des oben genannten Luftzahl-Werteintervalls einstellt.In particular, the control device regulates the air delivery unit and/or the fuel gas metering unit as a function of the heating output, so that an air ratio within the above-mentioned air ratio value range is established in the mixture flow.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung ein die Heizleistung charakterisierendes Leistungssignal erhält und verarbeitet, wobei das Leistungssignal auf einer Erfassung einer tatsächlichen oder angeforderten Heizleistung, des Gemischstroms, des Brenngasstroms, des Luftstroms, einer Gebläsedrehzahl eines den Luftstrom fördernden Luftgebläses und/oder einer Verbrennungstemperatur der Verbrennung des Luft-Brenngas-Gemischstroms beruht, wobei die Regeleinrichtung auf Grundlage des Leistungssignals das Gemischsignal generiert.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the control device receives and processes a power signal characterizing the heating output, the power signal being based on a detection of an actual or requested heating output, the mixture flow, the fuel gas flow, the air flow, a fan speed of an air fan promoting the air flow and/or a combustion temperature of the combustion of the air/fuel gas mixture flow, the control device generating the mixture signal on the basis of the power signal.
Das Leistungssignal kann insbesondere ein elektrisches Signal oder ein Drucksignal sein. Dazu umfasst die Verbrennungsvorrichtung zumindest eine Messeinrichtung, beispielsweise einen elektrischen, elektronischen oder pneumatischen Sensor, zum Erfassen der Heizleistung, des Gemischstroms, des Brenngasstroms, des Luftstroms, der Gebläsedrehzahl eines den Luftstrom fördernden Luftgebläses, und/oder der Verbrennungstemperatur der Verbrennung des Luft-Brenngas-Gemischstroms. Ein Wert des Leistungssignals entspricht einer Größe der Heizleistung. Die Regeleinrichtung empfängt das Leistungssignal und übersetzt es in das Gemischsignal.The power signal can in particular be an electrical signal or a pressure signal. For this purpose, the combustion device comprises at least one measuring device, for example an electrical, electronic or pneumatic sensor, for detecting the heating output, the mixture flow, the fuel gas flow, the air flow, the fan speed of an air fan promoting the air flow, and/or the combustion temperature of the combustion of the air/fuel gas -mixed flow. A value of the power signal corresponds to a size of the heating power. The controller receives the power signal and translates it into the mixture signal.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Erfassungseinheit das Luft/Brenngas-Verhältnis, insbesondere die Luftzahl λ, erfasst und ein entsprechendes erstes Rückmeldesignal an die Regeleinrichtung ausgibt, wobei die Regeleinrichtung das Luft/Brenngas-Verhältnis, insbesondere die Luftzahl λ, in Abhängigkeit des ersten Rückmeldesignals regelt.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that a first detection unit detects the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, and outputs a corresponding first feedback signal to the control device, with the control device measuring the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, controls depending on the first feedback signal.
Bei der ersten Erfassungseinheit kann es sich insbesondere um einen Lambdasensor oder um eine lonisationselektrode handeln, die ein das Luft/Brenngas-Verhältnis, insbesondere die Luftzahl λ, repräsentierendes Signal messen. Mittels des ersten Rückmeldesignals kann die Regeleinrichtung einen geschlossenen Regelkreis zur Regelung des Luft/Brenngas-Verhältnisses, insbesondere der Luftzahl λ, in den oben definierten Grenzen nutzen.The first detection unit can in particular be a lambda sensor or an ionization electrode which measures a signal representing the air/combustion gas ratio, in particular the air ratio λ. By means of the first feedback signal, the control device can use a closed control circuit to control the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, within the limits defined above.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Erfassungseinheit eine Flammenstabilität der Verbrennung erfasst und ein entsprechendes zweites Rückmeldesignal an die Regeleinrichtung ausgibt, wobei die Regeleinrichtung das Luft/Brenngas-Verhältnis, insbesondere die Luftzahl λ, in Abhängigkeit des zweiten Rückmeldesignals regelt.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that a second detection unit detects the flame stability of the combustion and outputs a corresponding second feedback signal to the control device, with the control device controlling the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, as a function of the second feedback signal .
Unter Flammenstabilität wird hier insbesondere eine räumlich-dauerhafte Präsenz der Flamme in einem gewünschten Sollabstand von der Brennermündung oder Brenneroberfläche verstanden. Im Gegensatz dazu bedeutet ein Abheben einer Flamme von der Brennermündung oder Brenneroberfläche eine nicht stabil brennende Flamme, ein Vergrößern des Abstands und "Wegfliegen" der Flamme von der Brennermündung oder Brenneroberfläche. Dies geht mit einem unerwünschten Verlöschen des Brenners und Austritt von unverbranntem Gemisch einher und stellt einen gefährlichen Zustand dar, der vermieden und/oder erkannt werden muss. Ein Rückschlagen einer Flamme bedeutet ebenfalls eine nicht stabil brennende Flamme, ein Verkleinern des Abstands und Aufsitzen der Flamme auf der Brennermündung oder Brenneroberfläche, oder sogar ein Durchschlagen der Flamme durch die Brennermündung oder Brenneroberfläche in ein Inneres der Verbrennungsvorrichtung, beispielsweise bis zur Mischereinheit. Dies geht mit einem unerwünschten Überhitzen der Brenneroberfläche oder anderer Elemente im Inneren der Verbrennungsvorrichtung einher und stellt einen gefährlichen Zustand dar, der vermieden und/oder erkannt werden muss.Flame stability is understood here in particular as a spatially permanent presence of the flame at a desired target distance from the burner mouth or burner surface. In contrast, lifting of a flame from the burner mouth or burner surface means an unstable burning flame, increasing the distance and "flying" of the flame from the burner mouth or burner surface. This is accompanied by undesired burner extinguishing and discharge of unburned mixture and represents a hazardous condition that must be avoided and/or recognized. Flashback of a flame also means an unstable burning flame, reducing the distance and sitting of the flame on the burner mouth or burner surface, or even the flame propagating through the burner mouth or burner surface into an interior of the combustion device, for example up to the mixer unit. This goes with undesired overheating of the burner surface or other elements inside the combustor and represents a hazardous condition that must be avoided and/or recognized.
Bei der zweiten Erfassungseinheit kann es sich insbesondere um einen Temperatursensor oder einen optischen Sensor handeln. Diese messen ein die Flammenstabilität repräsentierendes Signal, beispielsweise eine "zu kalte" (Abhebeneigung) oder "zu heiße" (Rückschlagsneigung) Brenneroberfläche, oder einen zu großen oder zu kleinen Flammenabstand von der Brenneroberfläche. Der Temperatursensor kann beispielsweise dicht an der Brenneroberfläche angeordnet sein. Mittels des zweiten Rückmeldesignals kann die Regeleinrichtung einen Regelkreis zur Regelung des Luft/Brenngas-Verhältnisses, insbesondere der Luftzahl λ, in den oben definierten Grenzen nutzen, wodurch ein sicherer Betrieb der Verbrennungsvorrichtung mit stabiler Flammenbildung gewährleistet ist.The second detection unit can in particular be a temperature sensor or an optical sensor. These measure a signal representing flame stability, for example a burner surface that is "too cold" (tendency to lift) or "too hot" (tendency to flashback), or a distance between the flame and the burner surface that is too large or too small. The temperature sensor can, for example, be arranged close to the burner surface. By means of the second feedback signal, the control device can use a control loop to control the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, within the limits defined above, thereby ensuring reliable operation of the combustion device with stable flame formation.
Wenn die Regeleinrichtung beispielsweise anhand eines Signals der zweiten Erfassungseinheit feststellt, dass die Flamme nicht stabil brennt, kann sie das Luft/Brenngas-Verhältnis, insbesondere die Luftzahl λ, innerhalb der oben definierten Grenzen so regeln, dass eine gewünschte Flammenstabilität sich wieder einstellt.If the control device determines, for example based on a signal from the second detection unit, that the flame is not burning stably, it can regulate the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, within the limits defined above in such a way that a desired flame stability is restored.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Erfassungseinheit ein Verbrennungsgeräusch der Verbrennung erfasst und ein entsprechendes drittes Rückmeldesignal an die Regeleinrichtung ausgibt, wobei die Regeleinrichtung das Luft/Brenngas-Verhältnis, insbesondere die Luftzahl λ, in Abhängigkeit des zweiten Rückmeldesignals regelt.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that a third detection unit detects a combustion noise of the combustion and outputs a corresponding third feedback signal to the control device, the control device controlling the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, depending on the second feedback signal .
Bei der dritten Erfassungseinheit kann es sich insbesondere um einen Akustiksensor oder einen Schwingungssensor handeln. Diese messen ein das Verbrennungsgeräusch repräsentierendes Signal, beispielsweise eine "zu laute" oder stark schwingende Verbrennung (bezogen auf einen vorgebbaren Grenzwert). Mittels des dritten Rückmeldesignals kann die Regeleinrichtung einen Regelkreis zur Regelung des Luft/Brenngas-Verhältnisses, insbesondere der Luftzahl λ, in den oben definierten Grenzen nutzen, wodurch ein leiser Betrieb der Verbrennungsvorrichtung gewährleistet ist.The third detection unit can in particular be an acoustic sensor or a vibration sensor. These measure a signal representing the combustion noise, for example if the combustion is "too loud" or oscillates strongly (relative to a definable limit value). By means of the third feedback signal, the control device can set up a control circuit for controlling the air/fuel gas ratio, in particular the air ratio λ, within the limits defined above, which ensures quiet operation of the combustion device.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung eine Fehlermeldung ausgibt, wenn eine vorgebbare Flammenstabilität oder ein vorgebbarer Geräuschgrenzwert oder ein vorgebbarer Schwingungsgrenzwert innerhalb des Luftzahl-Werteintervalls nicht erreicht wird.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the control device outputs an error message if a definable flame stability or a definable noise limit value or a definable vibration limit value is not reached within the air ratio value interval.
Da ein Abweichen von der Flammenstabilität und/oder dem Geräuschgrenzwert und/oder Schwingungsgrenzwert einen gefährlichen Zustand darstellen kann, der vermieden werden muss, kann es sinnvoll sein, die Fehlermeldung mit einem Abschalten der Verbrennungsvorrichtung zu ergänzen.Since a deviation from the flame stability and/or the noise limit and/or the vibration limit can represent a dangerous condition that must be avoided, it can be useful to supplement the error message with a shutdown of the combustion device.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verbrennungsvorrichtung, insbesondere eine Wasserstoff-Verbrennungsvorrichtung, für ein Heizgerät zum Beheizen zumindest eines Raumes und/oder zur Erwärmung zumindest eines Nutzfluids, wobei die Verbrennungsvorrichtung ausgebildet ist, ein Verfahren nach einer der oben beschriebenen Methoden durchzuführen.The invention also relates to a combustion device, in particular a hydrogen combustion device, for a heater for heating at least one space and/or for heating at least one useful fluid, the combustion device being designed to carry out a method according to one of the methods described above.
Eine solche Verbrennungsvorrichtung gewährleistet einen Betrieb, der sich durch hohe Flammenstabilität, hohe Wirkungsgrade, niedrige Schadstoffwerte und geringe Geräuschbildung auszeichnet.Such a combustion device ensures operation that is characterized by high flame stability, high efficiency, low pollutant values and low noise.
Die Erfindung betrifft ferner ein Heizgerät mit einer erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung.The invention also relates to a heater with a combustion device according to the invention.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Figur 1- zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verbrennungsvorrichtung,
Figur 2- zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verbrennungsvorrichtung,
- Figur 3
- zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Verbrennungsvorrichtung,
- Figur 4
- zeigt einen Grenzkurvenverlauf der Luftzahlwerte λ in einem ausgewählten Werteintervall in Abhängigkeit der relativen Heizleistung Q.
- figure 1
- shows a first embodiment of a combustion device,
- figure 2
- shows a second embodiment of a combustion device,
- figure 3
- shows a third embodiment of a combustion device,
- figure 4
- shows a limit curve of the air ratio values λ in a selected value interval as a function of the relative heating output Q.
Die im Folgenden beschriebenen
Die Luftfördereinheit 102 dient einem Ansaugen eines Luftstroms A, insbesondere aus einer Aufstellumgebung 1 der Verbrennungsvorrichtung 100, sowie einem Fördern des Luftstroms A zur Mischereinheit 106. Beispielsweise handelt es sich bei der Luftfördereinheit 102 um ein Drehzahl-regelbares Luftgebläse 102. Die Luftfördereinheit 102 wird von der Regeleinrichtung 110, beispielsweise auf Basis eines Signals S1 einer angeforderten Heizleistung, mittels einer Vorgabe eines Soll-Förderwerts S20, insbesondere einer Soll-Gebläsedrehzahl S20, geregelt. An der Luftfördereinheit 102 nach
Die Brenngasdosiereinheit 104 dient einem Dosieren eines Brenngasstroms G, wobei der Brenngasstrom G in die Mischereinheit 106 geführt wird. Beispielsweise handelt es sich bei der Brenngasdosiereinheit 104 um ein pneumatisch regelbares Brenngasventil 104 (insbesondere
Die Mischereinheit 106 dient einem Zusammenführen von Luftstrom A und Brenngasstrom G und Mischen zu einem Gemischstrom M. Beispielsweise handelt es sich bei der Mischereinheit 106 um eine Venturidüse 106. An der Mischereinheit 106 nach
An der Brenneroberfläche 108 tritt der Gemischstrom M in einen Brennraum 2 (hier nicht dargestellt) aus, wird gezündet und unter Ausbildung von Flammen F verbrannt.The mixture flow M emerges at the
Die Verbrennungsvorrichtung 100 umfasst weiter eine Regeleinrichtung 110, die dazu eingerichtet ist, das Luft/Brenngas-Verhältnis in Abhängigkeit der Heizleistung zu variieren, wobei das Luft/Brenngas-Verhältnis bei kleinerer Heizleistung einen größeren Wert annimmt und/oder bei größerer Heizleistung einen kleineren Wert annimmt. Die Regeleinrichtung 110 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Luftzahl λ, die das Luft/Brenngas-Verhältnis des Gemischstroms M beschreibt, auf einen Wert aus einem ausgewählten Luftzahl-Werteintervall zu regeln, wobei das Luftzahl-Werteintervall durch eine untere Luftzahlgrenzkurve λ-min und eine obere Luftzahlgrenzkurve λ-max wie folgt definiert ist:
Die Werte der unteren Luftzahlgrenzkurve λ-min und der oberen Luftzahlgrenzkurve λ-max hängen vom Wert der Heizleistung ab. Dabei steht Q für den Wert der relativen Heizleistung der Verbrennungsvorrichtung 100.The values of the lower air ratio limit curve λ-min and the upper air ratio limit curve λ-max depend on the heating output value. Q stands for the value of the relative heating power of the
Insbesondere liegt ein tatsächlich eingeregelter Luftzahlwert λ günstigstenfalls im Wesentlichen in der Mitte zwischen der unteren und oberen Luftzahlgrenze. Somit repräsentieren die Luftzahlgrenzkurven λ-min und λ-max die zulässigen Abweichungen der Luftzahl λ von einem Idealwert.In particular, an air ratio value λ that is actually regulated is at best essentially in the middle between the lower and upper air ratio limits. The air ratio limit curves λ-min and λ-max thus represent the permissible deviations of the air ratio λ from an ideal value.
Die Regeleinrichtung 110 nach
Die Brenngasdosiereinheit 104 und zumindest Teile der Regeleinrichtung 110 nach
Die Regeleinrichtung 110 nach
Die Regeleinrichtung 110 nach
Die Verbrennungsvorrichtung 100 nach
Ferner zeigt die Verbrennungsvorrichtung 100 nach
Die erste Erfassungseinheit 114 und die zweite Erfassungseinheit 116, die an der Verbrennungsvorrichtung 100 nach
Ein Gesamt-Modulationsbereich der relativen Heizleistung Q der Verbrennungsvorrichtung 100 zwischen einem minimalen Wert Q-min > 0 und einem maximalen Wert Q-max = 1 lässt sich in einer vorteilhaften Betrachtung in drei Betriebsabschnitte gliedern.A total modulation range of the relative heat output Q of the
Die Verläufe der Grenzkurven λ-min und λ-max der ausgewählten unteren und oberen Luftzahlgrenzen sind in Abhängigkeit der relativen Heizleistung Q auf Basis dieser drei betrachteten Betriebsabschnitte ausgelegt, die jeweils Einschränkungen in Richtung größerer und/oder kleinerer Luftzahlwerte aufweisen und einen zulässigen Mindest- und/oder Höchstwert für die Luftzahl bei einer bestimmten relativen Heizleistung festlegen.The curves of the limit curves λ-min and λ-max of the selected lower and upper air ratio limits are designed as a function of the relative heating output Q based on these three operating sections under consideration, which each have restrictions in the direction of larger and/or smaller air ratio values and a permissible minimum and /or Set a maximum air ratio at a specific relative heating output.
In einem ersten Betriebsabschnitt, zwischen einer minimalen relativen Heizleistung Q-min (beispielsweise im Bereich Q-min = 0,05...0,1) und ungefähr Q = 0,15, gewährleistet das Luftzahl-Werteintervall die Sicherstellung einer niedrigen Flammengeschwindigkeit und niedrigen Zündenergie im Gemischstrom M.In a first operating section, between a minimum relative heating power Q-min (e.g. in the range Q-min = 0.05...0.1) and approx Q = 0.15, the air ratio value interval ensures a low flame speed and low ignition energy in the mixture flow M.
In diesem ersten Betriebsabschnitt sind die Zündfähigkeit des Luft-Brenngas-Gemischstroms M und die sichere Zündung der Flamme F von zentraler Bedeutung. Der Luftzahlwert λ soll so hoch sein, dass eine Flammengeschwindigkeit des Gemischstroms M so gering ist, dass Überdrücke infolge plötzlicher Zündung des Gemischstroms M sicher beherrschbar und ausreichend leise sind. Die geringe Flammengeschwindigkeit hilft ein Rückschlagen der Flamme zu vermeiden. Der Luftzahlwert λ soll andererseits aber auch so niedrig sein, dass die Zündenergie des Gemischstroms M so gering ist, dass eine schnelle und zuverlässige Zündung einer Flamme möglich ist. Niedrige Zündenergie bedeutet, dass der Gemischstrom leicht zündet und eine zuverlässige, unverzögerte und sicher beherrschbare Zündung gewährleistet.In this first operating section, the ignitability of the air/fuel gas mixture flow M and the reliable ignition of the flame F are of central importance. The air ratio value λ should be so high that a flame speed of the mixture flow M is so low that overpressures resulting from sudden ignition of the mixture flow M can be safely controlled and are sufficiently quiet. The low flame speed helps to avoid flame flashback. On the other hand, the air ratio value λ should also be so low that the ignition energy of the mixture flow M is so low that rapid and reliable ignition of a flame is possible. Low ignition energy means that the mixture flow ignites easily and ensures reliable, instantaneous and safely controllable ignition.
In einem zweiten Betriebsabschnitt, ungefähr zwischen den relativen Heizleistungen Q = 0,15 und Q = 0,4, gewährleistet das Luftzahl-Werteintervall die Vermeidung von Flammenrückschlag.In a second operating section, approximately between the relative heating powers Q = 0.15 and Q = 0.4, the air ratio value interval ensures that flashback is avoided.
Zur Vermeidung von Flammenrückschlag sollte der Luftzahlwert λ so hoch sein, dass ein Zusammenspiel von Austrittsgeschwindigkeit des Gemischstroms M an der Brenneroberfläche 108 und Flammengeschwindigkeit im Gemischstrom M einen Flammenrückschlag ausschließt. Um das zu gewährleisten, muss die Austrittsgeschwindigkeit höher sein als die Flammengeschwindigkeit. Stöchiometrische Gemischströme (Luftzahl λ = 1) haben die höchste Flammengeschwindigkeit. Durch Anheben der Luftzahl wird die Flammengeschwindigkeit abgesenkt. Andererseits wird durch Anheben der Luftzahl gleichzeitig die Austrittsgeschwindigkeit des Gemischstroms erhöht, weil der Gemischvolumenstrom vergrößert wird. So kann auch bei relativ geringen Heizleistungen ein Flammenrückschlag vermieden werden.To avoid flashback, the air ratio value λ should be so high that an interaction of the outlet speed of the mixture flow M on the
In einem dritten Betriebsabschnitt, ungefähr zwischen der relativen Heizleistung Q = 0,4 und einer maximalen relativen Heizleistung Q-max = 1 (Nenn-Heizleistung der Verbrennungsvorrichtung 100), gewährleistet das Luftzahl-Werteintervall einen optimalen thermischen Wirkungsgrad, vollständige Verbrennung, Vermeidung von abhebenden Flammen und Kompatibilität mit pneumatischen Luft-Brenngas-Verhältnisreglern 112.In a third operating section, approximately between the relative heating power Q=0.4 and a maximum relative heating power Q-max=1 (rated heating power of the combustion device 100), the air ratio value interval ensures optimum thermal efficiency, complete combustion, avoidance of uplifted flames and compatibility with 112 pneumatic air/fuel gas ratio regulators.
In diesem dritten Betriebsabschnitt sind ein thermischer Wirkungsgrad der Verbrennung, eine vollständige Verbrennung des Gemischstroms M und die Kompatibilität des Luftzahl-Werteintervalls mit den Möglichkeiten pneumatischer Luft-Brenngas-Verhältnisregler 112 entscheidend. Die pneumatische Luft-Gas-Verhältnisregelung beruht auf Strömungseinschränkungen und einem nominell festgelegten geregelten Gasdruck aus dem Gasventil. Dadurch wird eine Form der Luftzahlgrenzkurven, die das geregelte Luft-Brenngas-System liefern kann, physikalisch eingeschränkt. Kompatibilität bedeutet, dass die Form der Grenzkurve mit dem physikalischen Verhalten eines pneumatischen Luft-Brenngas-Verhältnisreglers 112 in Übereinstimmung gebracht werden kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Vermeidung eines Abhebens der Flamme. Der Luftzahlwert λ muss weiter so niedrig sein, dass ein eine erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung 100 umfassendes Heizgerät einen möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad erzielt. Außerdem muss die Luftzahl λ ausreichend höher als λ = 1,0 sein, um eine vollständige Verbrennung des Gemischstroms M, insbesondere des Brenngasstroms G, zu gewährleisten. Die Luftzahl λ muss also optimal eingestellt werden, um einen Rahmen (der sowohl eine obere als auch eine untere Grenze zu den beanspruchten Betriebsbedingungen angibt) zu bilden, der alle vorstehenden Anforderungen erfüllt und auch durch einen Luft-Brenngas-Verhältnisregler 112 zur Regelung des Luft/Brenngas-Verhältnisses erfolgen kann. Luft-Brenngas-Verhältnisregler 112 sind insbesondere passive physikalische Systeme, deren mögliches Verhalten durch physikalische Gesetze eingeschränkt ist. Beispielsweise muss die Kurve streng monoton und entweder konvex oder konkav sein.In this third operating section, a thermal efficiency of the combustion, a complete combustion of the mixture flow M and the compatibility of the air ratio value interval with the possibilities of the pneumatic air/combustion
Durch umfangreiche Forschung und Experimente wurde das im Vorstehenden beschriebene Verfahren zur Variation des Luft/Brenngas-Verhältnisses, insbesondere zur Anpassung der Luftzahl λ aus dem ausgewählten Luftzahl-Werteintervall, in Abhängigkeit der Heizleistung Q gefunden, das all diesen unterschiedlichen, teilweise konkurrierenden Anforderungen gerecht wird. Dabei ist die sichere Verbrennung von Wasserstoff ungleich schwieriger zu bewerkstelligen als die anderer Brennstoffe wie Methan, Propan oder Butan. Das liegt an den verbrennungstechnischen Eigenschaften von Flammengeschwindigkeit, Zündenergie und Zündgrenzen. Das Verfahren und die ausgewählten Luftzahlgrenzen wurden insbesondere an die ganz eigenen Erfordernisse einer Wasserstoff verbrennenden Verbrennungsvorrichtung 100 angepasst.Through extensive research and experiments, the method described above for varying the air/fuel gas ratio, in particular for adjusting the air ratio λ from the selected air ratio value interval, as a function of the heating output Q was found that meets all these different, sometimes competing requirements . The safe combustion of hydrogen is incomparably more difficult accomplish than those of other fuels such as methane, propane or butane. This is due to the combustion properties of flame speed, ignition energy and ignition limits. In particular, the method and the selected air ratio limits were adapted to the very specific requirements of a
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens, insbesondere des gefundenen Luftzahl-Werteintervalls, ist, dass das Verfahren bei entsprechender Einstellung auch mit bekannten pneumatischen Luft-Brenngas-Verhältnisreglern 112 realisierbar ist.A further advantage of the method, in particular of the air ratio value interval found, is that the method can also be implemented with known pneumatic air/combustion
Bei bekannten pneumatischen Luft-Brenngas-Verhältnisreglern 112 können das ausgewählte Luftzahl-Werteintervall beziehungsweise die ausgewählten Luftzahlgrenzkurven λ-min und λ-max nach
Claims (11)
dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Brenngas-Verhältnis mittels einer Regeleinrichtung (110) in Abhängigkeit der Heizleistung variiert wird, wobei das Luft/Brenngas-Verhältnis bei kleinerer Heizleistung einen größeren Wert annimmt und/oder bei größerer Heizleistung einen kleineren Wert annimmt. Method for operating a combustion device (100) to provide an air/fuel gas mixture flow (M) from an air flow (A) and a fuel gas flow (G), in particular a hydrogen flow, in at least one predeterminable air/fuel gas ratio, and for the combustion of the mixture flow (M), whereby a heat output is generated by the combustion,
characterized in that the air/fuel gas ratio is varied by means of a control device (110) as a function of the heating output, the air/fuel gas ratio assuming a larger value with a smaller heating output and/or a smaller value with a larger heating output.
dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Regeleinrichtung (110) die Luftzahl λ des Gemischstroms (M) auf einen Wert innerhalb des Luftzahl-Werteintervalls
wobei die Luftzahl λ ein Mengenverhältnis von Luft zu Brenngas charakterisiert und als Quotient aus einer tatsächlich im Gemischstrom (M) vorhandenen Luftmenge und einer für eine stöchiometrische Verbrennung des Gemischstroms (M) benötigten Luftmenge berechnet ist, und wobei Q der Wert der relativen Heizleistung der Verbrennungsvorrichtung (100) ist und im Bereich 0 < Q ≤ 1 liegt.Method for operating a combustion device (100) to provide an air-fuel gas mixture flow (M) from an air flow (A) and a fuel gas flow (G), in particular a hydrogen flow, with at least one predeterminable air ratio λ in the mixture flow (M), and for Combustion of the mixture flow (M), with the combustion generating a heat output,
characterized in that by means of a control device (110) the air ratio λ of the mixture flow (M) to a value within the air ratio value interval
where the air ratio λ characterizes a volume ratio of air to fuel gas and is calculated as the quotient of the air volume actually present in the mixture flow (M) and the air volume required for stoichiometric combustion of the mixture flow (M) , and where Q is the value of the relative heating output of the combustion device (100) and is in the range 0 < Q ≤ 1.
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (110) die Brenngasdosiereinheit (104) in Abhängigkeit der Heizleistung regelt, wobei die Brenngasdosiereinheit (104) bei kleinerer Heizleistung einen relativ kleineren Brenngasstrom (G) dosiert, und bei größerer Heizleistung einen relativ größeren Brenngasstrom (G) dosiert.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that the control device (110) regulates the fuel gas metering unit (104) as a function of the heat output, the fuel gas metering unit (104) metering a relatively smaller fuel gas flow (G) for a lower heat output and a relatively larger fuel gas flow (G) for a larger heat output .
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (110) die Luftfördereinheit (102) in Abhängigkeit der Heizleistung regelt, wobei die Luftfördereinheit (102) bei kleinerer Heizleistung einen relativ größeren Luftstrom (A) fördert, und bei größerer Heizleistung einen relativ kleineren Luftstrom (A) fördert.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that the control device (110) regulates the air conveying unit (102) depending on the heating output, the air conveying unit (102) conveying a relatively larger air flow (A) with a smaller heating output and a relatively smaller air flow (A) with a larger heating output .
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (110) eine Fehlermeldung ausgibt, wenn eine vorgebbare Flammenstabilität innerhalb des Luftzahl-Werteintervalls nicht erreicht werden kann.Method according to claim 8,
characterized in that the control device (110) outputs an error message if a definable flame stability cannot be achieved within the air ratio value interval.
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (100) ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Combustion device (100), in particular a hydrogen combustion device, for a heater for heating at least one room and/or for heating at least one useful fluid,
characterized in that the combustion device (100) is designed to carry out the method according to any one of the preceding claims.
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (100) nach Anspruch 10 ausgebildet ist.A heater comprising a combustion device (100),
characterized in that the combustion device (100) is designed according to claim 10.
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