EP4015904A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutz eines heizgerätes beim zünden eines gemisches aus luft und wasserstoffhaltigem brenngas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schutz eines heizgerätes beim zünden eines gemisches aus luft und wasserstoffhaltigem brenngas Download PDF

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EP4015904A1
EP4015904A1 EP21213998.4A EP21213998A EP4015904A1 EP 4015904 A1 EP4015904 A1 EP 4015904A1 EP 21213998 A EP21213998 A EP 21213998A EP 4015904 A1 EP4015904 A1 EP 4015904A1
Authority
EP
European Patent Office
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ignition
flame
time interval
fuel gas
combustion chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP21213998.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Reinert
Marco Hahn
Christian Schwarz
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4015904A1 publication Critical patent/EP4015904A1/de
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
    • 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
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/02—Starting or ignition cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/12—Fail safe for ignition failures

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for protecting a heating device when a mixture of air and fuel gas containing hydrogen is ignited, in particular for preventing damage caused by pressure pulses.
  • the blower when the heater is started, the blower is first switched on, then a suitable quantity of fuel gas is added to form an ignitable mixture, and after a suitable time interval (empirical value, e.g. depending on the length of the paths in the premixing system), the actual ignition process started.
  • a suitable time interval empirical value, e.g. depending on the length of the paths in the premixing system
  • the ignition process is accomplished by electronically generated ignition sparks using an ignition electrode, ie an arc or a rapid sequence of ignition sparks is started and then remains switched on.
  • a flame monitor in or on the combustion chamber, which detects whether a flame is burning in the combustion chamber or not.
  • Its signal is also used to end the ignition process (but not the supply of mixture) as soon as a flame is detected.
  • the ignition process and at least the fuel gas supply are terminated after a safety time interval has elapsed.
  • standard flame monitors e.g. ionization measuring devices or optical sensors
  • the ignition process is aborted because otherwise too much ignitable mixture could accumulate in the combustion chamber. Flushing with air and a repetition of the entire starting process can then follow and/or a fault message or shutdown of the system can take place.
  • the object of the present invention is to take into account the problems described with reference to the prior art in an ignition process in a heater and in particular to achieve the safest possible course of ignition processes in heaters operated with hydrogen or hydrogen-containing fuel gas.
  • an ignitable mixture with hydrogen as a component has a higher damage potential than other ignitable mixtures, which is why, for safety reasons, such a mixture should only be ignited in the combustion chamber as long as the maximum quantity is limited. After that, ignition should no longer be possible, even if the mixture is still flowing. This means that the ignition process (ignition spark) may only last until the maximum amount is reached.
  • the safety time interval on the other hand, must be longer, in particular because the flame monitor needs at least the response time to recognize whether the ignition process was successful.
  • the ignition time interval and the safety time interval are specified independently of one another according to the properties of a heating device and the safety requirements to be met. Under favorable conditions, it can still be the case that the flame monitor detects a flame during the ignition time interval and ends the ignition process (prematurely), but the ignition time interval can also be shorter than the response time of the flame monitor, which means that the ignition process ends before the flame is detected becomes.
  • measures to intensify combustion can be taken during and/or after the ignition time interval has elapsed within the safety time interval. Since a flame cannot initially be detected due to the response time and ignition is no longer to be feared at least after the end of the ignition time interval, the supply of mixture can be increased or the composition (lambda value - ratio of air to fuel gas compared to a stoichiometric mixture) can be changed. This takes place on the assumption that ignition has been successful and has simply not yet been detected. If the assumption is correct, the combustion becomes more intense and the detection of the flame easier possible. This reduces the probability that a successfully ignited flame will not be detected by the end of the safety time interval (and the desired output of the heater will be reached more quickly). If the ignition was actually unsuccessful or if no flame was detected by the end of the safety time interval, the starting process is ended without the change in the supply of mixture being able to cause any damage.
  • Increasing the speed of a fan and/or changing the position of a fuel gas valve are particularly suitable and preferred measures. Increasing the speed increases the combustion performance and, in the case of a pneumatic combustible gas/air combination, reduces the lambda value. Changing the position of a fuel gas valve also affects performance and/or the lambda value.
  • At least the supply of fuel gas is terminated at the end of the safety time interval. As a result, no further ignitable mixture gets into the combustion chamber. If the blower continues to run, the mixture in the combustion chamber is even diluted by air and flushed out, so that a new starting process has the original starting conditions again.
  • the method described is particularly preferably repeated automatically, with the combustion chamber being purged with air before it is repeated.
  • a failure to start a heater is not uncommon and does not have to be immediately classified as a fault. If ignition is successful on a second or more attempts, no further consequences are generally required.
  • other parameters for the formation of the ignitable mixture are preferably set automatically each time the method is repeated, specifically parameters changed in the direction that ignition becomes more likely.
  • the ignition time interval is at most as long as the safety time interval minus the response time of the flame monitor. This is based on the consideration that ignition shortly before the end of the safety time interval would not be of any use if the flame detector does not have enough time to detect a developing flame due to its (long) response time, so that the starting process is aborted despite the flame being ignited would. This can be taken into account when specifying a maximum length of the ignition time interval.
  • the heater can be operated with a mixture of air and hydrogen or a fuel gas containing hydrogen, and a flame detector for detecting the presence of a flame in the combustion chamber with a response time is arranged on or in the combustion chamber , wherein the heater has an automatic ignition system that is set up to trigger an ignition process for the duration of a definable ignition time interval after the start of a supply of ignitable mixture to the combustion chamber, which is shorter than a safety time interval, after which the supply of ignitable mixture is ended if no flame detected became.
  • the automatic ignition is part of a control and regulation unit for the entire operation of a heater.
  • the automatic ignition system is preferably set up to initiate measures to intensify the combustion during and/or after the ignition time interval up to the end of the safety interval at most. This increases the probability that a successfully ignited flame can be detected by the end of the safety time interval. More intensive combustion shortens the response time of the flame monitor and/or increases its measurement signal.
  • the automatic ignition is set up to trigger a flushing process of the combustion chamber after an ignition process has been aborted and then to repeat the ignition process of the heater.
  • the automatic ignition system is particularly preferably set up in such a way that, with each repetition of the ignition process, other parameters for the supply of ignitable mixture are set, namely parameters changed in the direction that ignition becomes more likely.
  • the automatic ignition system is set up in particular to carry out the ignition process on a first ignition attempt with the smallest possible volume flow of mixture and to increase the speed of a fan and/or the supply of fuel gas with each repetition.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product, comprising instructions which cause the device described to carry out the method described executes
  • An electronic unit with automatic ignition requires a program and data for controlling the heater and evaluating the signals from the flame monitor, both of which must or can be updated occasionally, for which purpose a computer program product can be used.
  • the explanations of the method can be used for a more detailed characterization of the device, and vice versa.
  • the device can also be set up in such a way that the method is carried out with it.
  • FIG. 1 shows a schematic of a heater 1 according to the invention, in which air is sucked in by a blower 2 from an air inlet 4 and conveyed to a burner 3 .
  • Hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas from a fuel gas supply 8 is added to the air via a fuel gas valve 5 .
  • the combustible gas/air mixture produced is ignited and burned in a combustion chamber 13 by means of an ignition electrode 12 .
  • Exhaust gases that are produced give off most of their heat to a heat exchanger 14 and are then discharged into the environment through an exhaust system 10 .
  • a flame detector 11 which is specially designed for the detection of hydrogen flames, is arranged on or in the combustion chamber 13. Such a flame monitor has a response time before it can reliably detect a flame after it has developed.
  • the control and regulation unit 7 is equipped with a display 9, which can display the status of the system and/or warning signals.
  • FIG. 2 illustrates the invention using an example of the time sequences for repeated ignition processes with changing parameters.
  • the time (t) in seconds is given on the x-axis of the diagram.
  • Curve A shows the course of the speed of the blower 2 over time. It can be seen that the speed increases step by step with each starting process and in between there are brief times with additional increases.
  • curve B the opening of the fuel gas valve 5 is indicated.
  • the respective opening time for a start attempt corresponds to the safety time interval y. There are 5 attempts to start, the last of which is successful.
  • Curve C shows the times during which the actual ignition process (ignition spark active) takes place. 5 starting attempts are shown, each with an ignition time interval z, z being smaller than y according to the invention.
  • Curve D shows the times when a flame is present. A flame actually erupted during three attempts to start, but this could not be detected twice, which is why the relevant starting processes were aborted despite the flames.
  • curve E shows, during the last attempt to start, a flame that had developed was also detected, so that the combustion process was continued. The time delay between the occurrence of the flame in curve D and the time of detection corresponds to the response time x of the flame monitor 11. If no flame had been detected again, the starting processes would have ended completely and the combustion chamber would have been flushed 13 is done with air.
  • Curve A also shows that more air was supplied with each start attempt and that after the end of the respective ignition time interval z the speed of fan 2 was increased in order to intensify combustion (if ignition should have taken place). In addition, the blower 2 continues to run after the fuel gas valve has been switched off in order to flush the combustion chamber 13 . At the end, the speed is increased to the desired output of the heater.
  • the present invention increases safety when starting a heating device operated with hydrogen or a fuel gas containing hydrogen and enables particularly gentle and safe ignition processes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Zünden eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum (13) eines Heizgerätes (1), welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben wird und einen Flammenwächter (11) zum Detektieren einer Flamme mit einer Ansprechzeit (x) aufweist, wobei nach Beginn der Zufuhr eines zündfähigen Gemisches aus Luft und Brenngas zu dem Verbrennungsraum (13) ein Zündvorgang für maximal die Dauer eines vorgebbaren Zündzeitintervalls (z) ausgelöst wird, das kürzer ist als ein Sicherheitszeitintervall (y), nach dessen Ablauf die Zufuhr von zündfähigem Gemisch beendet wird, wenn bis dahin keine Flamme detektiert werden konnte. Die vorliegende Erfindung erhöht die Sicherheit beim Starten eines mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betriebenen Heizgerätes und ermöglicht besonders schonende und sichere Zündvorgänge.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz eines Heizgerätes beim Zünden eines Gemisches aus Luft und wasserstoffhaltigem Brenngas, insbesondere zum Verhindern von Schäden durch Druckimpulse.
  • Moderne Heizungsanlagen werden oft mit Vormischbrennern betrieben, wobei Luft und Brenngas in einem geeigneten Verhältnis gemischt und dann das zündfähige Gemisch von einem Gebläse durch Öffnungen in einen Brennerkörper einem Verbrennungsraum zugeführt wird, wo das Gemisch gezündet und verbrannt wird. Dem Zündvorgang wird dabei schon immer große Aufmerksamkeit gewidmet, da es bei einer zeitlichen Fehlfunktionen der Zündung zur Ansammlung von explosivem Gemisch im Verbrennungsraum oder anderen Komponenten der Anlage kommen kann, die bei späterer Zündung zu unkontrollierten Verpuffungen führen kann (sogenannte Fehlzündungen oder harte Zündungen).
  • Bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas oder eines Brenngases mit einem hohen Wasserstoffanteil von z. B. mehr als 50 %, insbesondere mehr als 97 %, ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass solche Verpuffungen deutlich heftiger als bei herkömmlichen Brenngasen (z. B. Erdgas) ablaufen können, da bei Verbrennung von Wasserstoff und Luft hohe Flammengeschwindigkeiten und große Druckanstiegsgradienten auftreten und außerdem Wasserstoffflammen auch durch sehr kleine Öffnungen zurück in den Brennerkörper schlagen können.
  • Nach dem Stand der Technik wird beim Starten des Heizgerätes zunächst das Gebläse eingeschaltet, dann eine zur Bildung eines zündfähigen Gemisches geeignete Menge an Brenngas zugemischt und nach einem geeigneten Zeitintervall (Erfahrungswert, z. B. abhängig von der Länge der Wege im Vormischsystem) der eigentliche Zündvorgang gestartet. Hier und im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Zündvorgang durch elektronisch erzeugte Zündfunken mittels einer Zündelektrode bewerkstelligt wird, also ein Lichtbogen oder eine schnelle Folge von Zündfunken gestartet wird und dann eingeschaltet bleibt. Nach dem Stand der Technik gibt es aus Sicherheitsgründen im oder am Verbrennungsraum immer einen Flammenwächter, der erkennt, ob im Verbrennungsraum eine Flamme brennt oder nicht. Dessen Signal wird auch dafür genutzt, den Zündvorgang (nicht aber die Zufuhr von Gemisch) zu beenden, sobald eine Flamme detektiert wird. Wird keine Flamme detektiert, so wird nach dem Stand der Technik nach Ablauf eines Sicherheitszeitintervalls der Zündvorgang und zumindest die Brenngaszufuhr beendet. Bei herkömmlichen Brenngasen sprechen übliche Flammenwächter (z. B. lonisationsmessgeräte oder optische Sensoren) sehr schnell an, so dass eine Zündung des Gemisches fast ohne Verzögerung erkannt werden kann. Wird innerhalb der Sicherheitszeit keine Flamme erkannt, wird der Zündvorgang abgebrochen, weil sich ansonsten zu viel zündfähiges Gemisch im Verbrennungsraum ansammeln könnte. Es kann dann ein Spülen mit Luft und eine Wiederholung des ganzen Startvorganges folgen und/oder eine Störungsmeldung oder Abschaltung der Anlage erfolgen.
  • Bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas oder wasserstoffhaltigen Brenngasen ist die Situation aber aus zwei Gründen anders. Einerseits gibt es wie oben erläutert ein höheres Schadenspotential bei Verpuffungen und andererseits beruhen Flammenwächter für solche Brenngase auf anderen Messprinzipien und brauchen wesentlich länger, um das Vorhandensein einer Flamme zu erkennen. Sie haben also bauartbedingt eine typische Ansprechzeit, wodurch eine gezündete Flamme erst mit einer Verzögerung detektiert werden kann. Diese Ansprechzeit kann z. B. im Bereich von 0,1 bis 5 s [Sekunden] liegen. Die Ansprechzeit kann von der Intensität der zu detektierenden Flamme abhängen, wobei bei auf Sicherheit gerichteten Überlegungen immer von einer maximal möglichen Ansprechzeit bei schwacher Flamme ausgegangen wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme bei einem Zündvorgang in einem Heizgerät zu berücksichtigen und insbesondere einen möglichst sicheren Ablauf von Zündvorgängen in mit Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas betriebenen Heizgeräten zu erreichen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß 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 weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zünden eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben wird und einen Flammenwächter zum Detektieren einer Flamme mit einer Ansprechzeit aufweist, wird nach Beginn der Zufuhr eines zündfähigen Gemisches aus Luft und Brenngas zu dem Verbrennungsraum ein Zündvorgang für maximal die Dauer eines vorgebbaren Zündzeitintervalls ausgelöst, das kürzer ist als ein Sicherheitszeitintervall, nach dessen Ablauf die Zufuhr von zündfähigem Gemisch beendet wird, wenn bis dahin keine Flamme detektiert werden konnte.
  • Wie erläutert hat ein zündfähiges Gemisch mit Wasserstoff als Bestandteil ein höheres Schadenspotential als andere zündfähige Gemische, weshalb aus Sicherheitsüberlegungen eine Zündung eines solchen Gemisches im Verbrennungsraum nur erfolgen soll, solange es sich um eine begrenzte maximale Menge handelt. Danach soll eine Zündung nicht mehr möglich sein, auch wenn noch Gemisch nachströmt. Dies bedeutet, dass der Zündvorgang (Zündfunken) nur so lange dauern darf, bis die maximale Menge erreicht ist. Das kann ein relativ kurzes Zündzeitintervall von beispielsweise 1 bis 5 s, insbesondere 2 bis 3 s, sein. Das Sicherheitszeitintervall muss dagegen länger sein, insbesondere weil der Flammenwächter mindestens die Ansprechzeit braucht, um zu erkennen, ob der Zündvorgang erfolgreich war. Erfindungsgemäß werden daher Zündzeitintervall und Sicherheitszeitintervall unabhängig voneinander entsprechend den Eigenschaften eines Heizgerätes und zu erfüllenden Sicherheitsanforderungen vorgegeben. Unter günstigen Bedingungen kann es zwar trotzdem sein, dass der Flammenwächter eine Flamme schon während des Zündzeitintervalls erkennt und (vorzeitig) den Zündvorgang beendet, aber das Zündzeitintervall kann auch kürzer als die Ansprechzeit des Flammenwächters sein, wodurch der Zündvorgang schon vor einer Detektion der Flamme beendet wird.
  • In einer besonderen Ausführungsform können während und/oder nach Ablauf des Zündzeitintervalls innerhalb des Sicherheitszeitintervalls Maßnahmen zur Intensivierung einer Verbrennung getroffen werden. Da eine Flamme wegen der Ansprechzeit zunächst noch nicht detektiert werden kann und zumindest nach Ende des Zündzeitintervalls auch keine Zündung mehr zu befürchten ist, kann die Zufuhr von Gemisch vergrößert oder auch die Zusammensetzung (Lambda-Wert - Verhältnis von Luft zu Brenngas im Vergleich zu einem stöchiometrischen Gemisch) geändert werden. Dies erfolgt unter der Annahme, dass eine erfolgreiche Zündung vorliegt und lediglich noch nicht detektiert werden konnte. Trifft die Annahme zu, so wird die Verbrennung intensiver und die Detektion der Flamme leichter möglich. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine erfolgreich gezündete Flamme bis zum Ende des Sicherheitszeitintervalls nicht erkannt wird, sinkt dadurch (und die gewünschte Leistung des Heizgerätes wird schneller erreicht). War die Zündung tatsächlich nicht erfolgreich bzw. wird bis zum Ende des Sicherheitszeitintervalls trotzdem keine Flamme detektiert, wird der Startvorgang beendet, ohne dass die Änderung der Zufuhr von Gemisch Schaden anrichten konnte.
  • Besonders geeignet und bevorzugt sind als Maßnahmen ein Erhöhen der Drehzahl eines Gebläses und/oder Verändern einer Stellung eines Brenngasventils. Die Erhöhung der Drehzahl steigert die Leistung der Verbrennung und senkt im Falle eines pneumatischen Brenngas-Luft-Verbundes den Lambda-Wert. Auch das Verändern der Stellung eines Brenngasventils beeinflusst Leistung und/oder Lambda-Wert.
  • Bei einer typischen Ausführung der Erfindung wird zumindest die Brenngaszufuhr am Ende des Sicherheitszeitintervalls beendet. Dadurch gelangt kein weiteres zündfähiges Gemisch mehr in den Verbrennungsraum. Sofern das Gebläse weiterläuft, wird sogar das im Verbrennungsraum vorhandene Gemisch durch Luft verdünnt und herausgespült, so dass ein erneuter Startvorgang wieder die ursprünglichen Anfangsbedingungen hat.
  • Besonders bevorzugt wird das beschriebene Verfahren automatisch wiederholt, wobei vor einer Wiederholung der Verbrennungsraum mit Luft gespült wird. Ein Fehlschlagen eines Startvorganges eines Heizgerätes ist nicht selten und muss auch nicht sofort als Fehler eingestuft werden. Wenn bei einem zweiten oder weiteren Versuchen die Zündung erfolgreich ist, sind im Allgemeinen keine weiteren Konsequenzen erforderlich.
  • Um die Chancen auf eine erfolgreiche Zündung zu Erhöhen werden bevorzugt bei jeder Wiederholung des Verfahrens automatisch andere Parameter für die Bildung des zündfähigen Gemisches eingestellt, und zwar in der Richtung geänderte Parameter, dass eine Zündung wahrscheinlicher wird. Obwohl man zunächst versucht, einen Start zur Schonung des Heizgerätes bei möglichst geringer Leistung durchzuführen, ist die Wahrscheinlichkeit bei höherer Leistung, eventuell auch mit niedrigerem Lambda-Wert, wahrscheinlicher, was hier ausgenutzt wird.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Zündzeitintervall höchstens so lang, wie das Sicherheitszeitintervall minus der Ansprechzeit des Flammenwächters. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass ein Zünden kurz vor Ende des Sicherheitszeitintervalls keinen Nutzen bringen würde, wenn der Flammenwächter wegen seiner (langen) Ansprechzeit nicht mehr genug Zeit hat, eine entstehende Flamme noch zu detektieren, so dass der Startvorgang trotz gezündeter Flamme abgebrochen werden würde. Dies kann bei der Vorgabe einer maximalen Länge des Zündzeitintervalls berücksichtigt werden.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zünden einer Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, ist das Heizgerät mit einem Gemisch aus Luft und Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar und an oder in dem Verbrennungsraum ist ein Flammenwächter zur Erkennung des Vorhandenseins einer Flamme im Verbrennungsraum mit einer Ansprechzeit angeordnet, wobei das Heizgerät eine Zündautomatik aufweist, die eingerichtet ist, nach Beginn einer Zufuhr von zündfähigem Gemisch zum Verbrennungsraum einen Zündvorgang für die Dauer eines vorgebbaren Zündzeitintervalls auszulösen, welches kürzer ist als ein Sicherheitszeitintervall, nach dessen Ablauf die Zufuhr von zündfähigem Gemisch beendet wird, wenn keine Flamme detektiert wurde. Im Allgemeinen ist die Zündautomatik Teil einer Steuer- und Regeleinheit für den gesamten Betrieb eines Heizgerätes.
  • Bevorzugt ist die Zündautomatik eingerichtet, während und/oder nach dem Zündzeitintervall bis maximal zum Ende des Sicherheitsintervalls Maßnahmen zur Intensivierung der Verbrennung einzuleiten. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass eine erfolgreich gezündete Flamme bis zum Ende des Sicherheitszeitintervalls detektiert werden kann. Eine intensivere Verbrennung verkürzt die Ansprechzeit des Flammenwächters und/oder steigert dessen Messsignal.
  • In einer typischen Ausführungsform der Erfindung ist die Zündautomatik eingerichtet, nach Abbruch eines Zündvorganges einen Spülvorgang des Verbrennungsraumes auszulösen und dann den Zündvorgang des Heizgerätes zu wiederholen.
  • Dabei ist die Zündautomatik besonders bevorzugt so eingerichtet, dass bei jeder Wiederholung des Zündvorganges andere Parameter für die Zufuhr von zündfähigem Gemisch eingestellt werden, und zwar in der Richtung geänderte Parameter, dass eine Zündung wahrscheinlicher wird.
  • Zum schonenden Betrieb eines Heizgerätes ist die Zündautomatik insbesondere eingerichtet, den Zündvorgang bei einem ersten Zündversuch mit möglichst kleinem Volumenstrom an Gemisch durchzuführen und bei jeder Wiederholung die Drehzahl eines Gebläses und/oder die Zufuhr von Brenngas zu erhöhen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das beschriebene Verfahren ausführt. Eine Elektronikeinheit mit Zündautomatik benötigt ein Programm und Daten für die Steuerung des Heizgerätes und die Auswertung der Signale des Flammenwächters, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss oder kann, wozu ein Computerprogrammprodukt einsetzbar ist.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Vorrichtung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Vorrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    schematisch ein erfindungsgemäßes Heizgerät mit Zündautomatik und Flammensensor und
    Fig. 2:
    ein Diagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen zeitlichen Abläufe beim Start eines Heizgerätes.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Heizgerät 1, bei dem über ein Gebläse 2 Luft von einem Lufteinlass 4 angesaugt und zu einem Brenner 3 befördert wird. Über ein Brenngasventil 5 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas aus einer Brenngasversorgung 8 der Luft beigemischt. Das entstehende Brenngas-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündelektrode 12 in einem Verbrennungsraum 13 gezündet und verbrannt. Entstehende Abgase geben den größten Teil ihrer Wärme an einen Wärmetauscher 14 ab und werden dann durch eine Abgasanlage 10 in die Umgebung abgeführt. Eine Zündautomatik 6, meistens integriert in eine Steuer- und Regeleinheit 7, steuert jeden Start des Heizgerätes und den dabei ablaufenden eigentlichen Zündvorgang (das Erzeugen von Zündfunken). Ein Flammenwächter 11, der besonders für die Detektion von Wasserstoffflammen ausgelegt ist, ist an oder in dem Verbrennungsraum 13 angeordnet. Ein solcher Flammenwächter hat eine Ansprechzeit, bis er nach dem Entstehen einer Flamme diese sicher detektieren kann. Die Steuer- und Regeleinheit 7 ist mit einer Anzeige 9 ausgestattet, die den Zustand der Anlage und/oder Warnsignale anzeigen kann.
  • Fig. 2 veranschaulicht die Erfindung anhand eines Beispiels für die zeitlichen Abläufe bei wiederholten Zündvorgängen mit sich ändernden Parametern. Auf der X-Achse des Diagramms ist die Zeit (t) in Sekunden angegeben. Die Kurve A zeigt den zeitlichen Verlauf der Drehzahl des Gebläses 2. Es ist zu erkennen, dass die Drehzahl sich stufenweise bei jedem Startvorgang erhöht und zwischendurch kurzzeitig noch Zeiten mit zusätzlichen Erhöhungen auftreten. In Kurve B ist die Öffnung des Brenngasventils 5 angegeben. Die jeweilige Öffnungszeit bei einem Startversuch entspricht dem Sicherheitszeitintervall y. Es sind 5 Startversuche zu erkennen, von denen der letzte erfolgreich ist. Kurve C zeigt die Zeiten, während denen der eigentliche Zündvorgang (Zündfunke aktiv) abläuft. Es sind 5 Startversuche mit jeweils einem Zündzeitintervall z dargestellt, wobei z erfindungsgemäß kleiner als y ist. Kurve D zeigt die Zeiten, in denen eine Flamme vorhanden ist. Bei drei Startversuchen ist tatsächlich eine Flamme entstanden, die jedoch zweimal nicht detektiert werden konnte, weshalb die betreffenden Startvorgänge trotz Flamme abgebrochen wurden. Beim letzten Startversuch wurde, wie Kurve E zeigt, eine entstandene Flamme auch detektiert, so dass der Verbrennungsvorgang fortgeführt wurde. Die zeitliche Verzögerung zwischen Auftreten der Flamme in Kurve D und dem Zeitpunkt der Detektion entspricht der Ansprechzeit x des Flammenwächters 11. Wäre wieder keine Flamme detektiert worden, so wären die Startvorgänge ganz beendet worden und eine Spülung des Verbrennungsraumes 13 mit Luft erfolgt. Die Kurve A zeigt auch, dass bei jedem Startversuch mehr Luft zugeführt wurde und dass nach Ende des jeweiligen Zündzeitintervalls z die Drehzahl des Gebläses 2 erhöht wurde, um die Verbrennung (falls eine Zündung erfolgt sein sollte) zu intensivieren. Außerdem läuft das Gebläse 2 nach Abschaltung des Brenngasventils weiter, um den Verbrennungsraum 13 zu spülen. Am Ende wird die Drehzahl auf die gewünschte Leistung des Heizgerätes erhöht.
  • Die vorliegende Erfindung erhöht die Sicherheit beim Starten eines mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betriebenen Heizgerätes und ermöglicht besonders schonende und sichere Zündvorgänge.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Gebläse
    3
    Brenner
    4
    Lufteinlass
    5
    Brenngasventil
    6
    Zündautomatik
    7
    Steuer- und Regeleinheit
    8
    Brenngasversorgung
    9
    Anzeige
    10
    Abgasanlage
    11
    Flammenwächter
    12
    Zündelektrode
    13
    Verbrennungsraum
    14
    Wärmetauscher
    A
    Kurve Drehzahl Gebläse
    B
    Kurve Stellung Brenngasventil
    C
    Kurve Zündfunken
    D
    Kurve Flamme
    E
    Kurve Detektion Flamme
    x
    Ansprechzeit
    y
    Sicherheitszeitintervall
    z
    Zündzeitintervall

Claims (13)

  1. Verfahren zum Zünden eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum (13) eines Heizgerätes (1), welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben wird und einen Flammenwächter (11) zum Detektieren einer Flamme mit einer Ansprechzeit (x) aufweist, wobei nach Beginn der Zufuhr eines zündfähigen Gemisches aus Luft und Brenngas zu dem Verbrennungsraum (13) ein Zündvorgang für maximal die Dauer eines vorgebbaren Zündzeitintervalls (z) ausgelöst wird, das kürzer ist als ein Sicherheitszeitintervall (y), nach dessen Ablauf die Zufuhr von zündfähigem Gemisch beendet wird, wenn bis dahin keine Flamme detektiert werden konnte.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während und/oder nach Ablauf des Zündzeitintervalls (z) innerhalb des Sicherheitszeitintervalls (y) Maßnahmen zur Intensivierung einer Verbrennung getroffen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Maßnahmen ein Erhöhen der Drehzahl eines Gebläses (2) und/oder Verändern einer Stellung eines Brenngasventils (5) beinhalten.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest die Brenngaszufuhr am Ende des Sicherheitszeitintervalls (y) beendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren automatisch wiederholt wird, wobei vor einer Wiederholung der Verbrennungsraum (13) mit Luft gespült wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei jeder Wiederholung des Verfahrens automatisch andere Parameter für die Bildung des zündfähigen Gemisches eingestellt werden, und zwar in der Richtung geänderte Parameter, dass eine Zündung wahrscheinlicher wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zündzeitintervall höchstens so lang ist, wie das Sicherheitszeitintervall (y) minus der Ansprechzeit (x) des Flammenwächters (11).
  8. Vorrichtung zum Zünden einer Verbrennung in einem Verbrennungsraum (13) eines Heizgerätes (1), wobei das Heizgerät (1) mit einem Gemisch aus Luft und Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist und an oder in dem Verbrennungsraum (13) ein Flammenwächter (11) zur Erkennung des Vorhandenseins einer Flamme im Verbrennungsraum (13) mit einer Ansprechzeit (x) angeordnet ist und wobei das Heizgerät (1) eine Zündautomatik (6) aufweist, die eingerichtet ist, nach Beginn einer Zufuhr von zündfähigem Gemisch zum Verbrennungsraum einen Zündvorgang für die Dauer eines vorgebbaren Zündzeitintervalls (z) auszulösen, welches kürzer ist als ein Sicherheitszeitintervall (y), nach dessen Ablauf die Zufuhr von zündfähigem Gemisch beendet wird, wenn keine Flamme detektiert wurde.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Zündautomatik (6) eingerichtet ist, während und/oder nach dem Zündzeitintervall (z) bis maximal zum Ende des Sicherheitsintervalls (y) Maßnahmen zur Intensivierung der Verbrennung einzuleiten.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Zündautomatik (6) eingerichtet ist, nach Abbruch eines Zündvorganges einen Spülvorgang des Verbrennungsraumes (13) auszulösen und dann den Zündvorgang des Heizgerätes (1) zu wiederholen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Zündautomatik (6) eingerichtet ist, bei jeder Wiederholung des Zündvorganges andere Parameter für die Zufuhr von zündfähigem Gemisch einzustellen, und zwar in der Richtung geänderte Parameter, dass eine Zündung wahrscheinlicher wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zündautomatik (6) eingerichtet ist, den Zündvorgang bei einem ersten Zündversuch mit möglichst kleinem Volumenstrom an Gemisch durchzuführen und bei jeder Wiederholung die Drehzahl eines Gebläses (2) und/oder die Zufuhr von Brenngas zu erhöhen.
  13. Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
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