EP3988841A1 - Verfahren und vorrichtung zur verhinderung eines flammenrückschlags bei einer brenneranordnung für ein vorgemischtes brennstoff-luft-gemisch - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verhinderung eines flammenrückschlags bei einer brenneranordnung für ein vorgemischtes brennstoff-luft-gemisch Download PDF

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EP3988841A1
EP3988841A1 EP21201402.1A EP21201402A EP3988841A1 EP 3988841 A1 EP3988841 A1 EP 3988841A1 EP 21201402 A EP21201402 A EP 21201402A EP 3988841 A1 EP3988841 A1 EP 3988841A1
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EP
European Patent Office
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component
fuel
bridge
combustion
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21201402.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Altendorf
Matthias Hopf
Klaus Richter
Andreas Reinert
Bodo Oerder
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82—Preventing flashback or blowback
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/10—Flame flashback

Definitions

  • the invention is in the field of heating devices in whose burner arrangements a mixture of combustion air and liquid or gaseous fuel is burned, in particular it relates to burner arrangements in which essentially hydrogen is burned as the fuel gas.
  • Such heaters are mostly used for water heating and/or heating of a building.
  • An electronics unit regulates and monitors the operation of the heater, with various sensors being connected to the electronics unit, the measurement signals from which are processed and evaluated. Furthermore, the electronics unit controls or regulates valves for the intake of combustion air and fuel and ensures that the combustion is ignited by an ignition device.
  • the electronic unit ensures safe continued operation in all operating situations or a shutdown, in particular a shutdown of the fuel supply, and ensures that the burner arrangement cannot be easily switched on again even after a power failure in the event of particularly safety-relevant faults.
  • a higher flame speed of hydrogen-air mixtures and a wide range of mixing ratios between hydrogen and air during combustion are also responsible for a higher risk, but it is also desirable for other fuels to detect imminent overheating at an early stage, although combustion systems with Natural gas or liquid gases can usually be designed in such a way that there is no risk of overheating.
  • the burner assembly includes a first combustion temperature affected component formed with a material that expands as a function of temperature.
  • a measured value for a thermal expansion of the first component is measured with at least one sensor and depending on the measured value the supply of fuel and/or air is changed and/or switched off when a definable threshold value is exceeded.
  • Based on the expansion of the component its temperature (or a signal proportional to this temperature) can be measured and it can be determined whether a predefinable limit value is being approached or even exceeded.
  • “Expansion” is understood here and in the following not only to mean the actual expansion of the first component (i.e. a movement), but also the impeded expansion (with no or only slight movement), which is an elastic component (and is concerned with such it always manifests itself here in the entire temperature range under consideration) as tensile or compressive stress.
  • the expansion of the first component is preferably not measured absolutely, but relative to a second component, the expansion of which is influenced to a lesser extent by the combustion. In most cases, a relative measurement is simpler than an absolute measurement and is nevertheless very reliable for the application at hand.
  • a mechanical compressive or tensile stress is particularly preferably measured on a bridge between the first component and the second component. If a first If the component is connected to a second component via a bridge and both components expand differently when the temperature rises, a tensile or compressive force proportional to the temperature acts on the bridge, which can easily be converted into an electrical signal using a suitable sensor.
  • a piezo element or a strain gauge can be used as a sensor, which converts mechanical stresses into electrical signals.
  • the first component is a burner body with openings for the fuel-air mixture to exit into a combustion chamber, the burner body forming a cavity in which the second component is located and the fuel-air mixture can flow around or through it, and wherein the first and the second component are connected to form a bridge and a compressive or tensile stress is measured on the bridge.
  • This embodiment is particularly suitable for the purpose described, because the outside of the burner body is influenced by the temperature of the combustion in the combustion chamber and a flashback is to be feared when the burner body gets so hot that it also on its inside, the cavity encloses, reaches a temperature somewhere that can ignite the (still cold) fuel-air mixture flowing there.
  • the fuel-air mixture flowing there which is preheated to ambient temperature or at most to a small extent, keeps the second component practically at an almost constant temperature, so that it does not expand or at least expands less and is well used as a reference for the expansion of the burner body can be.
  • a device for preventing a flashback in a burner arrangement for a premixed combustible gas/air mixture is also proposed, the temperature of a first component whose temperature can be influenced by combustion a material which expands as a function of the temperature, and wherein at least one sensor is present which generates a signal which is proportional to the expansion of the first component and which can be used to regulate and/or switch off the burner arrangement.
  • the explanations of the method can also be used to characterize the device, and vice versa.
  • the method can be carried out with the device.
  • the device can also be set up in such a way that it can carry out the method.
  • a second component is preferably present, the expansion of which can only be influenced to a lesser extent by the combustion, and the sensor is designed and arranged to generate a signal proportional to the relative expansion between the first component and the second component.
  • the first and the second component are connected to one another by a bridge, and the sensor is designed to measure a tensile or compressive stress acting on the bridge. In this configuration, there is practically no expansion movement, only a build-up of tension on the bridge.
  • a piezo element which forms part of the bridge or is attached to it, is particularly suitable as a sensor for the arrangement described.
  • the senor is a strain gauge attached to the bridge.
  • a certain relative movement takes place between the first and second component, which leads to an elastic deformation of the bridge, which is detected by the strain gauge and converted into an electrical signal.
  • the first component is particularly preferably a burner body with openings for the fuel-air mixture to exit into a combustion chamber, with the burner body forming a cavity in which the second component is located and around which the fuel-air mixture can flow before it exits the burner body or can be flowed through.
  • a distributor plate in the cavity, which is well suited as a second component because it practically remains at an almost constant temperature and therefore does not expand when the temperature in the combustion chamber rises.
  • the bridge is particularly preferably designed in such a way that it is prestressed with a compressive stress when cold and the compressive stress decreases when the torch body expands, but at a predetermined level Temperature range never becomes a tensile stress.
  • the bridge is designed so that it or a sensor fitted there is prestressed in the cold state without stress or with compressive stress and when the burner body expands, the compressive stress increases but never becomes tensile stress in a predeterminable temperature range.
  • a particularly important field of application of the method and the devices is the combustion of hydrogen or fuel gas with proportions of hydrogen in heaters. With these applications, the risk of a flashback and possible resulting damage is greater than with other fuels, which is why additional safety devices are particularly useful here.
  • a further aspect relates to a computer program product comprising instructions which cause the device described to carry out the method described.
  • the Electronic unit typically runs a program that processes sensor data and uses stored data or limit values to make control commands for the fuel valve and the blower. Data and program sometimes have to be updated.
  • Modern burners typically contain an electronic controller that contains at least one programmable microprocessor that can be controlled by such a computer program product (in particular also as part of a more comprehensive computer program product for the entire regulation of an automatic firing system).
  • FIG. 1 schematically shows a heater 1 with a burner arrangement 2.
  • Combustion, represented here by flames 4, of a fuel-air mixture takes place in a combustion chamber 3, the invention being particularly advantageous for the combustion of hydrogen-air mixtures.
  • Ambient air is fed to the combustion chamber 3 via an air supply 11 by means of a blower 10 .
  • Fuel is fed from a fuel supply 13 via a fuel valve 12 to a mixer 14 (eg a Venturi nozzle) and mixed with the air.
  • the resulting fuel-air mixture is fed to the burner arrangement 2 by means of a feed line 15 .
  • the fuel-air mixture reaches a burner body (here as the first component 5), which is approximately cylindrical in the exemplary embodiments shown, but can also have other shapes.
  • the burner body has a plurality of openings 6 (nozzles) through which the fuel-air mixture flows into the combustion chamber 3 to be burned there.
  • the burner body forms a cavity 7 in which there is a distribution plate (here as a second component 8) which has openings 9 and is used for the even distribution of the inflowing fuel-air mixture to the openings 6 of the burner body. Therefore, in the present exemplary embodiment, the distribution sheet also has approximately the shape of a cylinder, which is arranged at a distance from the burner body everywhere (except on an inlet-side end face).
  • the burner body is heated on its outside by the heat of combustion (flames 4) and its inside also becomes warmer through heat conduction, although it is cooled by the still unburned fuel-air mixture.
  • the torch body expands with increasing temperature unless this expansion is restricted. Such an expansion can be measured using suitable sensors.
  • the distribution plate Since the distribution plate is located in cavity 7 through which unburned fuel-air mixture flows, it practically does not expand, even when burner arrangement 2 is in operation. If the burner body (first component 5) and distribution plate (second component 8) are connected by a bridge 16, in particular in a region of the outer end faces of both components facing the combustion chamber 3 that faces the combustion chamber 3, the burner body can no longer expand freely. Depending on its temperature, a tensile or compressive stress develops on the bridge. With a sensor 20, this can be converted into a signal proportional to the temperature, which is fed via a signal line 24 to an electronics unit 25.
  • FIG 2 shows the already based on Fig.1 variant described in principle.
  • a piezo element 22 serves as a sensor, with piezo elements not being able to absorb tensile stresses well, but rather being better suited for measuring compressive stresses. Therefore, in this example, the burner body (first component 5) is prestressed against the distribution plate (second component 8) in the cold state, so that the highest compressive stress is present in the cold state. This is so high that there is still compressive stress even at the highest permissible temperature of the torch body.
  • the measured compressive stress is inversely proportional to the temperature of the burner body. A length L of the burner body (length of the cylinder) would increase with increasing temperature, but this is prevented by a prestressed bridge 17.
  • FIG. 3 another exemplary embodiment is shown, in which a bridge 21 that is not (necessarily) prestressed is used between the burner body (first component 5) and distribution plate (second component 8).
  • This bridge 21 is designed by a type of armature 18 and at least one piezo element 22 is arranged in such a way that in the cold state there is no (or only a small) compressive stress, which increases with increasing temperature of the torch body 5 . This creates a measurement signal that is proportional to the temperature.
  • a connecting web 19 (as a bridge) between the outer end face of the burner body (first component 5) and a wall of the supply line 15 is dimensioned such that it is also slightly stretched when the burner body expands, which can be measured using a strain gauge 23.
  • a signal is produced which is proportional to the temperature of the burner body, although the expansion of the burner body does not have to be impeded to the same extent as in the other two exemplary embodiments.
  • Any component which expands in proportion to the temperature in the combustion chamber 3 can serve as the first component.
  • Any component that heats up less during operation than the first component can serve as the second component.
  • the invention enables situations that can lead to a flashback to occur at an early stage, particularly in the case of heaters that are operated with hydrogen to detect and initiate countermeasures that reliably prevent a flashback.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verhinderung eines Flammenrückschlags bei einer Verbrennung eines vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brenneranordnung (2), wobei ein erstes von einer Verbrennung in seiner Temperatur beeinflusstes Bauteil (5) aus einem Material, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnt, vorhanden ist und wobei ein Messwert für eine thermische Ausdehnung des ersten Bauteils mit mindestens einem Sensor (20) gemessen und in Abhängigkeit von dem Messwert die Zufuhr von Brennstoff und/oder Luft verändert wird und/oder bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes abgeschaltet wird. Bevorzugt ist ein zweites Bauteil (8) vorhanden, welches in seiner Ausdehnung in geringerem Maß von der Verbrennung beeinflussbar ist und wobei der Sensor (20) gestaltet und angeordnet ist, ein der relativen Ausdehnung zwischen erstem (5) und zweitem (8) Bauteil proportionales Signal zu erzeugen. Die Erfindung ermöglicht es, Situationen, die zu einem Flammenrückschlag führen können, insbesondere bei Heizgeräten (1), die mit Wasserstoff betrieben werden, frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten, durch die ein Flammenrückschlag sicher verhindert wird.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Heizgeräte, in deren Brenneranordnungen ein Gemisch aus Verbrennungsluft und flüssigem oder gasförmigem Brennstoff verbrannt wird, insbesondere betrifft sie Brenneranordnungen, in denen als Brenngas im Wesentlichen Wasserstoff verbrannt wird. Solche Heizgeräte dienen meist zur Warmwasserbereitung und/oder Beheizung eines Gebäudes.
  • Eine Elektronikeinheit regelt und überwacht den Betrieb des Heizgerätes, wobei an die Elektronikeinheit verschiedene Sensoren angeschlossen sind, deren Messsignale verarbeitet und ausgewertet werden. Weiter steuert oder regelt die Elektronikeinheit Ventile für den Einlass von Verbrennungsluft und Brennstoff und sorgt für die Zündung der Verbrennung durch eine Zündeinrichtung.
  • Außerdem wird das Vorhandensein einer Flamme und das Verhältnis von Luft zu Brennstoff überwacht, um eine möglichst umweltfreundliche Verbrennung zu gewährleisten. Weitere Parameter, wie z. B. Temperaturen an unterschiedlichen Stellen, können ebenfalls überwacht werden. Bei einer Störung sorgt die Elektronikeinheit in allen Betriebssituationen für einen sicheren Weiterbetrieb oder für eine Abschaltung, insbesondere eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr, und dafür, dass bei besonders sicherheitsrelevanten Störungen die Brenneranordnung selbst nach einem Stromausfall nicht ohne Weiteres wieder eingeschaltet werden kann.
  • Als Elektronikeinheit werden z. B. sogenannte Gasfeuerungsautomaten eingesetzt, wie sie beispielsweise in der DE 24 26 943 B2 oder der EP 2 295 863 B1 beschrieben sind. Solche Geräte sind mit zahlreichen Sicherheitseinrichtungen ausgestattet, um einen für Benutzer und Umwelt gefahrlosen Betrieb zu gewährleisten.
  • Es gibt allerdings eine Art von Störung, die bei Brenneranordnungen nach dem Stand der Technik nicht leicht frühzeitig erkannt und verhindert werden kann. Dies ist eine Überhitzung eines Brennerkörpers der Brenneranordnung, die dazu führen kann, dass sich im Inneren des Brennerkörpers das Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch entzündet (ein sogenannter Flammenrückschlag) und dort erheblichen Schaden anrichtet, bis hin zu sicherheitsrelevanten Folgeproblemen. Eine Überhitzung stellt besonders bei der Verwendung von Wasserstoff (oder Beimischungen von Wasserstoff) als Brennstoff ein Risiko dar, weil Wasserstoff mit Luft bei sehr hohen Temperaturen verbrennt und eine sogenannte Selbstzündung eines Wasserstoff-Luft-Gemisch schon bei relativ niedrigen Temperaturen ab ca. 800 °C [Grad Celsius] erfolgen kann. Eine höhere Flammgeschwindigkeit von Wasserstoff-Luft-Gemischen und eine große Bandbreite von Mischungsverhältnissen zwischen Wasserstoff und Luft bei der Verbrennung sind außerdem mit ursächlich für ein höheres Risiko, jedoch ist es auch bei anderen Brennstoffen wünschenswert, eine drohende Überhitzung frühzeitig zu erkennen, obwohl Verbrennungssysteme mit Erdgas oder Flüssiggasen meist so ausgelegt werden können, dass keine Überhitzung zu befürchten ist.
  • Hier will die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen, um eine frühzeitige Erkennung einer drohenden Überhitzung eines Brennerkörpers und schnelle Gegenmaßnahmen bis hin zur Abschaltung zu ermöglichen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt nach den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt bevorzugte Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu trägt das nachfolgend erläuterte Verfahren zur Verhinderung eines Flammenrückschlags bei einer Verbrennung eines vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brenneranordnung bei. Die Brenneranordnung weist ein erstes von einer Verbrennung in seiner Temperatur beeinflusstes Bauteil auf, das mit einem Material gebildet ist, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnt. Es wird ein Messwert für eine thermische Ausdehnung des ersten Bauteils mit mindestens einem Sensor gemessen und in Abhängigkeit von dem Messwert die Zufuhr von Brennstoff und/oder Luft verändert und/oder bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes abgeschaltet. So lässt sich anhand der Ausdehnung des Bauteils dessen Temperatur (oder ein dieser Temperatur proportionales Signal) messen und die Annäherung an einen vorgebbaren Grenzwert oder gar dessen Überschreitung feststellen. Unter einer "Ausdehnung" wird hier und im Folgenden nicht nur die tatsächliche Ausdehnung des ersten Bauteils (also eine Bewegung), sondern auch die behinderte Ausdehnung (ohne oder mit nur geringer Bewegung) verstanden, die sich bei einem elastischen Bauteil (und um solche handelt es sich hier immer im gesamten betrachteten Temperaturbereich) als Zug- oder Druckspannung manifestiert.
  • Bevorzugt wird die Ausdehnung des ersten Bauteils nicht absolut, sondern relativ zu einem zweiten Bauteil, welches in seiner Ausdehnung in geringerem Maß von der Verbrennung beeinflusst wird, gemessen. Eine relative Messung ist in den meisten Fällen einfacher als eine absolute Messung und trotzdem für die vorliegende Anwendung sehr zuverlässig.
  • Besonders bevorzugt wird eine mechanische Druck- oder Zugspannung an einer Brücke zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil gemessen. Wenn ein erstes Bauteil über eine Brücke mit einem zweiten Bauteil verbunden ist und sich beide Bauteile bei einem Temperaturanstieg unterschiedlich ausdehnen, so wirkt auf die Brücke eine der Temperatur proportionale Zug- oder Druckkraft, die mit einem geeigneten Sensor leicht in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.
  • Insbesondere können als Sensor ein Piezo-Element oder ein Dehnungsmessstreifen verwendet werden, das/der mechanische Spannungen in elektrische Signale umwandelt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil ein Brennerkörper mit Öffnungen für den Austritt von Brennstoff-Luftgemisch in einen Verbrennungsraum, wobei der Brennerkörper einen Hohlraum bildet, in dem sich das zweite Bauteil befindet und von Brennstoff-Luft-Gemisch umströmbar oder durchströmbar ist, und wobei das erste und das zweite Bauteil zu einer Brücke miteinander verbunden werden und eine Druck- oder Zugspannung an der Brücke gemessen wird. Gerade diese Ausführungsform ist für den beschriebenen Zweck besonders geeignet, weil der Brennerkörper außen von der Temperatur der Verbrennung im Verbrennungsraum beeinflusst wird und ein Flammenrückschlag gerade dann zu befürchten ist, wenn der Brennerkörper so heiß wird, dass er auch auf seiner Innenseite, die den Hohlraum umschließt, irgendwo eine Temperatur erreicht, die das dort strömende (noch kalte) Brennstoff-Luft-Gemisch zünden kann. Andererseits hält das dort strömende Brennstoff-Luft-Gemisch, welches auf Umgebungstemperatur oder höchstens in geringem Maße vorgewärmt ist, das zweite Bauteil praktisch auf fast konstanter Temperatur, so dass sich dieses nicht oder jedenfalls weniger ausdehnt und gut als Referenz für die Ausdehnung des Brennerkörpers genutzt werden kann.
  • Weiter wird auch eine Vorrichtung zur Verhinderung eines Flammenrückschlags bei einer Brenneranordnung für ein vorgemischtes Brenngas-Luft-Gemisch vorgeschlagen, wobei ein erstes von einer Verbrennung in seiner Temperatur beeinflussbares Bauteil aus einem Material, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnt, vorhanden ist und wobei mindestens ein Sensor vorhanden ist, der ein der Ausdehnung des ersten Bauteils proportionales Signal erzeugt, das zu einer Regelung und/oder Abschaltung der Brenneranordnung nutzbar ist.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können auch zur Charakterisierung der Vorrichtung herangezogen werden, und umgekehrt. Insbesondere kann das Verfahren mit der Vorrichtung durchgeführt werden. Weiter kann die Vorrichtung auch so eingerichtet sein, dass diese das Verfahren ausführen kann.
  • Bevorzugt ist ein zweites Bauteil vorhanden, welches in seiner Ausdehnung nur in geringerem Maß von der Verbrennung beeinflussbar ist, und wobei der Sensor gestaltet und angeordnet ist, ein der relativen Ausdehnung zwischen erstem Bauteil und zweitem Bauteil proportionales Signal zu erzeugen.
  • In einer besonderen Ausgestaltung sind das erste und das zweite Bauteil miteinander durch eine Brücke verbunden, und der Sensor ist zur Messung einer auf die Brücke wirkenden Zug- oder Druckspannung ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung findet praktisch keine Dehnungsbewegung statt, sondern nur ein Spannungsaufbau an der Brücke.
  • Besonders geeignet als Sensor für die beschriebene Anordnung ist ein Piezo-Element, welches einen Teil der Brücke bildet oder an dieser befestigt ist.
  • Alternativ ist der Sensor ein Dehnungsmessstreifen, der an der Brücke befestigt ist. In diesem Fall findet eine gewisse Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Bauteil statt, die zu einer elastischen Verformung der Brücke führt, welche von dem Dehnungsmessstreifen festgestellt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
  • Besonders bevorzugt ist das erste Bauteil ein Brennerkörper mit Öffnungen für den Austritt von Brennstoff-Luft-Gemisch in einen Verbrennungsraum ist, wobei der Brennerkörper einen Hohlraum bildet, in dem sich das zweite Bauteil befindet und von Brennstoff-Luftgemisch vor einem Austritt aus dem Brennerkörper umströmbar oder durchströmbar ist. In manchen Brennerkörpern befindet sich in dem Hohlraum ein Verteilerblech, welches sich gut als zweites Bauteil eignet, weil es praktisch auf fast konstanter Temperatur bleibt und sich daher nicht bei steigender Temperatur im Verbrennungsraum ausdehnt.
  • Da Sensoren, insbesondere Piezo-Elemente, weniger gut Zugspannungen aushalten und messen können als Druckspannungen, ist die Brücke besonders bevorzugt so ausgebildet ist, dass sie in kaltem Zustand mit einer Druckspannung vorgespannt ist und bei Ausdehnung des Brennerkörpers die Druckspannung abnimmt, aber in einem vorgebbaren Temperaturbereich nie zu einer Zugspannung wird.
  • Alternativ ist die Brücke so ausgebildet ist, dass sie bzw. ein dort angebrachter Sensor in kaltem Zustand ohne Spannung oder mit einer Druckspannung vorgespannt ist und bei Ausdehnung des Brennerkörpers die Druckspannung zunimmt, aber in einem vorgebbaren Temperaturbereich nie zu einer Zugspannung wird.
  • Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet des Verfahrens und der Vorrichtungen ist die Verbrennung von Wasserstoff oder Brenngas mit Anteilen an Wasserstoff in Heizgeräten. Bei diesen Anwendungen ist das Risiko eines Flammenrückschlags und möglicher dabei entstehender Schäden größer als bei anderen Brennstoffen, weshalb hier zusätzliche Sicherheitseinrichtungen besonders sinnvoll sind.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das beschriebene Verfahren ausführt. In der Elektronikeinheit wird typischerweise ein Programm ausgeführt, welches Sensordaten verarbeitet und daraus anhand gespeicherter Daten oder Grenzwerte Steuerungsbefehle für das Brennstoffventil und das Gebläse macht. Daten und Programm müssen dabei manchmal aktualisiert werden. Moderne Brenner enthalten typischerweise eine elektronische Steuerung, die mindestens einen programmierbaren Mikroprozessor enthält, der durch ein solches Computerprogrammprodukt (insbesondere auch als Teil eines umfassenderen Computerprogrammproduktes für die gesamte Regelung einer Feuerungsautomatik) gesteuert werden kann.
  • Wenn eine drohende Überhitzung erkannt wird, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Temperatur abzusenken bzw. einen Flammenrückschlag zu vermeiden. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur kann z. B. die Zufuhr von Brennstoff-Luft-Gemisch einfach abgeschaltet werden. Besser ist es, nur die Zufuhr von Brennstoff abzuschalten und das Gebläse einige Zeit weiterlaufen zu lassen, um die ganze Brenneranordnung wieder abzukühlen, bis ein Brennerbetrieb wieder möglich ist. Am Günstigsten ist es allerdings, die Temperatur des Brennerkörpers bei der Regelung der Leistung des Brenners und des Brennstoff-Luft-Verhältnisses zu berücksichtigen. In vielen Fällen ist es dadurch möglich, einen unzulässigen Anstieg der Verbrennungstemperatur und damit der Temperatur des Brennerkörpers zu vermeiden, ohne gleich die Brenneranordnung ganz abzuschalten.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung detailliert erläutert. Es stellen schematisch dar:
    • Fig. 1:
    ein Heizgerät mit einer Vorrichtung,
    Fig. 2:
    einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer ersten Ausführungsform,
    Fig. 3:
    einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer zweiten Ausführungsform, und
    Fig. 4:
    einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer dritten Ausführungsform.
  • Figur 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1 mit einer Brenneranordnung 2. In einem Verbrennungsraum 3 findet eine Verbrennung, hier durch Flammen 4 dargestellt, eines Brennstoff-Luft-Gemisches statt, wobei die Erfindung sich insbesondere bei der Verbrennung von Wasserstoff-Luft-Gemischen als vorteilhaft erweist. Über eine Luftzufuhr 11 wird mittels eines Gebläses 10 Umgebungsluft zum Verbrennungsraum 3 geführt. Von einer Brennstoffzufuhr 13 wird Brennstoff über ein Brennstoffventil 12 zu einem Mischer 14 (z. B. einer Venturidüse) geführt und der Luft beigemischt. Mittels einer Zuleitung 15 wird das entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch der Brenneranordnung 2 zugeführt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt in einen Brennerkörper (hier als erstes Bauteil 5), der in den dargestellten Ausführungsbeispielen etwa zylinderförmig ist, aber auch andere Formen haben kann. Der Brennerkörper hat eine Vielzahl von Öffnungen 6 (Düsen), durch die das Brennstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungsraum 3 strömt, um dort verbrannt zu werden. Der Brennerkörper bildet einen Hohlraum 7, in dem sich ein Verteilblech (hier als zweites Bauteil 8) befindet, welches Durchbrechungen 9 aufweist und zur gleichmäßigen Verteilung des einströmenden Brennstoff-Luft-Gemisches auf die Öffnungen 6 des Brennerkörpers dient. Auch das Verteilbleich hat daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa die Form eines Zylinders, der überall (außer an einer eingangsseitigen Stirnseite) mit Abstand zum Brennerkörper angeordnet ist. Der Brennerkörper wird beim Betrieb der Brenneranordnung 2 auf seiner Außenseite durch die Verbrennungswärme (Flammen 4) erhitzt und durch Wärmeleitung wird auch seine Innenseite dabei wärmer, obwohl diese von dem noch unverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisch gekühlt wird. Der Brennerkörper dehnt sich mit zunehmender Temperatur aus, sofern diese Ausdehnung nicht behindert wird. Eine solche Ausdehnung kann mittels geeigneter Sensorik gemessen werden.
  • Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen wird ein besonderer Weg der Messung gewählt. Da sich das Verteilblech in dem von unverbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmten Hohlraum 7 befindet, dehnt es sich praktisch nicht aus, auch wenn die Brenneranordnung 2 in Betrieb ist. Verbindet man Brennerkörper (erstes Bauteil 5) und Verteilblech (zweites Bauteil 8) durch eine Brücke 16, insbesondere in einem dem Verbrennungsraum 3 zugewandten Bereich der äußeren, dem Verbrennungsraum 3 zugewandten Stirnseiten beider Bauteile, so kann sich der Brennerkörper nicht mehr frei dehnen. Es entsteht eine von seiner Temperatur abhängige Zug- oder Druckspannung an der Brücke. Mit einem Sensor 20 kann diese in ein der Temperatur proportionales Signal umgewandelt werden, welches über eine Signalleitung 24 einer Elektronikeinheit 25 zugeleitet wird. Diese wertet die Sensorsignale aus und leitet bei vorgebbaren Grenzwerten Gegenmaßnahmen gegen einen Flammenrückschlag ein. Dazu können insbesondere Gebläse 10 und Brennstoffventil 12 über Steuerleitungen 26 angesteuert werden, z. B. zum Abschalten oder Verändern der Luft- und/oder Brenngaszufuhr. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass sich der Sensor 20 im Hohlraum 7 befindet und damit nicht die hohe Temperatur im Verbrennungsraum 3 aushalten muss.
  • Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen jeweils den durch einen Kreis gekennzeichneten Bereich der Fig. 1 und enthalten alternative Ausführungsbeispiele für diesen Bereich im Detail, aber in schematischer Darstellung.
  • Fig 2. zeigt die schon anhand von Fig .1 im Prinzip beschriebene Variante. Ein Piezo-Element 22 dient in diesem Fall als Sensor, wobei Piezo-Elemente nicht gut Zugspannungen aufnehmen können, sondern besser zur Messung von Druckspannungen geeignet sind. Daher wird bei diesem Beispiel der Brennerkörper (erstes Bauteil 5) im kalten Zustand gegen das Verteilblech (zweites Bauteil 8) vorgespannt, so dass die höchste Druckspannung in kaltem Zustand vorliegt. Diese ist so hoch, dass selbst bei der höchsten zulässigen Temperatur des Brennerkörpers noch eine Druckspannung vorliegt. In dieser Ausführungsform ist die gemessene Druckspannung also umgekehrt proportional zur Temperatur des Brennerkörpers. Eine Länge L des Brennerkörpers (Länge des Zylinders) würde sich mit steigender Temperatur vergrößern, was aber durch eine vorgespannte Brücke 17 verhindert wird.
  • In Fig. 3 wird ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine nicht (notwendigerweise) vorgespannte Brücke 21 zwischen Brennerkörper (erstes Bauteil 5) und Verteilblech (zweites Bauteil 8) verwendet wird. Durch eine Art Anker 18 ist diese Brücke 21 so gestaltet und mindestens ein Piezo-Element 22 so angeordnet, dass in kaltem Zustand keine (oder eine geringe) Druckspannung vorliegt, die bei steigender Temperatur des Brennerkörpers 5 ansteigt. So entsteht ein der Temperatur proportionales Messsignal.
  • In Fig. 3 schließlich ist eine Möglichkeit zur Relativmessung ohne Einbeziehung eines Verteilblechs (zweites Bauteil 8) dargestellt. Ein Verbindungssteg 19 (als Brücke) zwischen äußerer Stirnseite des Brennerkörper (erstes Bauteil 5) und einer Wand der Zuleitung 15 ist so dimensioniert, dass er bei Ausdehnung des Brennerkörpers auch etwas gedehnt wird, was durch einen Dehnungsmessstreifen 23 gemessen werden kann. Auch hier entsteht ein der Temperatur des Brennerkörpers proportionales Signal, allerdings muss die Dehnung des Brennerkörpers nicht so stark behindert werden wie bei den beiden anderen Ausführungsbeispielen.
  • Weitere Varianten oder Kombinationen der beschriebenen Möglichkeiten werden von der Erfindung umfasst. Als erstes Bauteil kann jedes Bauteil dienen, welches sich proportional zur Temperatur im Verbrennungsraum 3 ausdehnt. Als zweites Bauteil kann jede Komponente dienen, die im Betreib weniger erwärmt wird als das erste Bauteil.
  • Die Erfindung ermöglicht es, insbesondere bei Heizgeräten, die mit Wasserstoff betrieben werden, Situationen, die zu einem Flammenrückschlag führen können, frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten, durch die ein Flammenrückschlag sicher verhindert wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Brenneranordnung
    3
    Verbrennungsraum
    4
    Flammen
    5
    Erstes Bauteil
    6
    Öffnungen
    7
    Hohlraum
    8
    Zweites Bauteil
    9
    Durchbrechungen
    10
    Gebläse
    11
    Luftzufuhr
    12
    Brennstoffventil
    13
    Brennstoffzufuhr
    14
    Mischer
    15
    Zuleitung für Brennstoff-Luft-Gemisch
    16
    Brücke
    17
    Vorgespannte Brücke
    18
    Anker
    19
    Verbindungssteg
    20
    Sensor
    21
    Nicht vorgespannte Brücke
    22
    Piezo-Element für Druckspannung
    23
    Dehnungsmessstreifen
    24
    Signalleitung
    25
    Elektronikeinheit
    26
    Steuerleitungen

Claims (15)

  1. Verfahren zur Verhinderung eines Flammenrückschlags bei einer Verbrennung eines vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brenneranordnung (2), wobei ein erstes von einer Verbrennung in seiner Temperatur beeinflusstes Bauteil (5) aus einem Material, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnt, vorhanden ist und wobei ein Messwert für eine thermische Ausdehnung des ersten Bauteils mit mindestens einem Sensor (20) gemessen und in Abhängigkeit von dem Messwert die Zufuhr von wenigstens Brennstoff oder Luft zumindest verändert oder bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes abgeschaltet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausdehnung des ersten Bauteils (5) relativ zu einem zweiten Bauteil (8), welches in seiner Ausdehnung in geringerem Maß von der Verbrennung beeinflusst wird, gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine mechanische Druck- oder Zugspannung an einer Brücke (16) zwischen dem ersten Bauteil (5) und dem zweiten Bauteil (8) gemessen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Sensor (20) ein Piezo-Element (22) oder ein Dehnungsmessstreifen (23) verwendet wird, mit dem mechanische Spannungen in elektrische Signale umwandelbar sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das erste Bauteil (5) ein Brennerkörper mit Öffnungen (6) für den Austritt von Brennstoff-Luft-Gemisch in einen Verbrennungsraum (3) ist, wobei der Brennerkörper (5) einen Hohlraum (7) bildet, in dem sich das zweite Bauteil (8) befindet und von Brennstoff-Luft-Gemisch umströmbar oder durchströmbar ist, und wobei das erste Bauteil (5) und das zweite Bauteil (8) miteinander durch eine Brücke (16) verbunden werden und eine Druck- oder Zugspannung an der Brücke (16) gemessen wird.
  6. Vorrichtung zur Verhinderung eines Flammenrückschlags bei einer Brenneranordnung (2) für ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch, wobei ein erstes von einer Verbrennung in seiner Temperatur beeinflussbares Bauteil (5) aus einem Material, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnt, vorhanden ist, und wobei mindestens ein Sensor (20) vorhanden ist, der ein der Ausdehnung des ersten Bauteils (5) proportionales Signal erzeugt, das zumindest zu einer Regelung oder einer Abschaltung der Brenneranordnung (2) nutzbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein zweites Bauteil (8) vorhanden ist, welches in seiner Ausdehnung in geringerem Maß von der Verbrennung beeinflussbar ist und wobei der Sensor (20) gestaltet und angeordnet ist, ein der relativen Ausdehnung zwischen erstem Bauteil (5) und zweitem Bauteil (8) proportionales Signal zu erzeugen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste Bauteil (5) und das zweite Bauteil (8) miteinander durch eine Brücke (16) verbunden sind und der Sensor (20) zur Messung einer auf die Brücke (16) wirkenden Zug- oder Druckspannung ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Sensor (20) ein Piezo-Element (22) ist, welches einen Teil der Brücke (16) bildet oder an dieser befestigt ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Sensor (20) ein Dehnungsmessstreifen (23) ist, der an der Brücke (16) befestigt ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das erste Bauteil (5) ein Brennerkörper mit Öffnungen (6) für den Austritt von Brennstoff-Luft-Gemisch in einen Verbrennungsraum (3) ist und der Brennerkörper einen Hohlraum (7) bildet, in dem sich das zweite Bauteil (8) befindet und von Brennstoff-Luft-Gemisch vor einem Austritt aus dem Brennerkörper (5) umströmbar oder durchströmbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Brücke (17) so ausgebildet ist, dass sie in kaltem Zustand mit einer Druckspannung vorgespannt ist und bei Ausdehnung des Brennerkörpers (5) die Druckspannung abnimmt, aber in einem vorgebbaren Temperaturbereich nie zu einer Zugspannung wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Brücke (21) so ausgebildet ist, dass sie in kaltem Zustand ohne Spannung oder mit einer Druckspannung vorgespannt ist und bei Ausdehnung des Brennerkörpers (5) die Druckspannung zunimmt, aber in einem vorgebbaren Temperaturbereich nie zu einer Zugspannung wird.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Vorrichtung zur Verbrennung von Wasserstoff oder Brenngas mit Anteilen an Wasserstoff ausgelegt ist.
  15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.
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