EP4050260A1 - Verfahren und anordnung zur beobachtung eines verbrennungsprozesses in einem heizgerät - Google Patents

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EP4050260A1
EP4050260A1 EP22156683.9A EP22156683A EP4050260A1 EP 4050260 A1 EP4050260 A1 EP 4050260A1 EP 22156683 A EP22156683 A EP 22156683A EP 4050260 A1 EP4050260 A1 EP 4050260A1
Authority
EP
European Patent Office
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combustion
sensor
intensity
hydrogen
water
Prior art date
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Pending
Application number
EP22156683.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Badenhop
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4050260A1 publication Critical patent/EP4050260A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements 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
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/04—Flame sensors sensitive to the colour of flames

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for monitoring a combustion process in a heating device that can be operated with hydrogen and/or a fuel gas containing hydrogen.
  • Hydrogen as a fuel gas or as an admixture to fuel gases is becoming more and more important, and great efforts are being made to upgrade new or existing heating devices for operation with it. It is not only a question of large systems, but also of wall-mounted units for heating water and, in general, heaters for heating buildings and/or providing hot water. Since such devices are durable goods, efforts are also being made to prepare such devices for operation with various fuel gases, with the preparation for operation with hydrogen making special demands.
  • the combustion of hydrogen differs from previously used fuel gases in several respects, in particular a hydrogen flame is almost invisible to the human eye, radiates less heat than flames produced with carbonaceous fuels and requires different measuring systems than hydrocarbon fuel heaters.
  • the present invention is therefore particularly, but not only suitable for heaters with pure hydrogen or with Fuel gas that consists of more than 50%, in particular more than 95%, of hydrogen can be operated.
  • a use of optical sensors using optical filters is for a special application in heaters that are operated with hydrogen-containing fuel gas, for example from the DE 10 2019 101 329 A1 known. Also from the EP 2 223 016 B1 optical measuring systems in heaters are known, these two documents mainly dealing with the observation of the radiation from flames, ie with radiation emissions in the combustion chamber. From the DE 10 2009 009 314 A1 the use of absorption spectroscopy in the infrared range of light is already known to monitor flames or regulate a combustion process. In the considerations there, water vapor is regarded as a disruptive factor and is not evaluated for the actual observation.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a method and an arrangement are to be created with which a combustion process can be observed without using the radiation generated by flames, namely by absorption spectroscopy.
  • These should be particularly suitable for heaters that are operated with hydrogen as the fuel gas or hydrogen-containing fuel gas.
  • a method for observing a combustion process of hydrogen or a hydrogen-containing fuel with air in a combustion chamber of a heater to determine the presence of flames and/or to measure the ratio of combustion air to fuel gas contributes to solving the problem, with a measuring area through which combustion products can flow infrared light is radiated from a light source to a sensor sensitive to infrared light and the sensor observes the intensity of the incident light and conclusions are drawn from changes in the intensity to the presence and/or quality of a combustion.
  • this is based on the consideration that combustion products are produced during combustion, the detection of which in a measuring area outside of an actual combustion zone allows just as reliable conclusions to be drawn about the presence and/or quality of combustion as, for example, direct observation of the flame.
  • absorption line or band always means a narrow spectral range that can be selectively observed, especially with a non-dispersive infrared spectrometer (NDIR).
  • NDIR non-dispersive infrared spectrometer
  • the senor is part of a non-dispersive infrared spectrometer (NDIR).
  • NDIR non-dispersive infrared spectrometer
  • Non-dispersive infrared spectroscopy is well developed and can be used inexpensively to analyze gases, so that an NDIR spectrometer can also be an everyday part of a control and regulation unit of a heating device.
  • a drop in intensity in the area of at least one absorption line of the water indicates ignition of the combustion and/or an increase in intensity indicates that the combustion has been extinguished.
  • the intensity of the at least one absorption line of water is particularly preferably observed during combustion and when the ratio of fuel gas to air changes, with the ratio of combustion air to fuel gas being inferred from the course of the intensity compared to calibration curves and/or empirical values.
  • the air ratio can also be measured.
  • characteristic curves for the decrease in intensity for the over-stoichiometric and under-stoichiometric operation are determined in a laboratory and stored in a control and regulation unit. By comparing measured values with stored values, over- and under-stoichiometric operation can be deduced. By appropriately adjusting the fuel gas/air mixture, more than stoichiometric operation can be achieved as desired Mode of operation are generated. In addition, by further evaluating measured values, conclusions can be drawn about the concentration of water vapor and thus about the air ratio as soon as it is ensured that over-stoichiometric operation is present. In this way, the air ratio can be regulated.
  • light of at least the observed wavelength ranges of the observed absorption lines is sent through the measurement area to the sensor.
  • it can make sense to only send infrared light from a few wavelength ranges through the measuring area or to filter them out in front of the sensor. This can be achieved by an appropriate light source and/or by suitable optical filters.
  • modern spectrometers can also simultaneously observe absorption lines or bands in a broad spectral range, the evaluation becomes faster, simpler and/or cheaper if only selected spectral ranges are observed.
  • An arrangement for observing a combustion process of hydrogen or a hydrogen-containing combustible gas with air in a combustion chamber of a heater to determine the presence of flames and/or to regulate the ratio of combustion air to combustible gas also contributes to solving the problem, with a light source for infrared light and a sensor at least for infrared light in the area of at least one absorption line or band of water is present, between which there is a measurement area through which combustion gases can flow, and wherein the sensor is connected to evaluation electronics that are set up to measure the intensity of the incident light in the area observed by at least one absorption line or band of water and from their progression the presence of flames and/or the ratio of combustion air to combustible gas can be deduced.
  • the measuring area is preferably arranged in such a way that the water produced in the combustion process is still gaseous up to that point. A condensation of parts of the water vapor contained in the combustion gases in front of the sensor would falsify the measurements, which is why this must be avoided as far as possible.
  • the measuring range should therefore be close enough to the flame area that no condensation takes place up to that point, especially in the combustion chamber or close to the combustion chamber in the exhaust system.
  • the sensor is preferably part of a non-dispersive infrared spectrometer. This can belong to the evaluation electronics and/or be part of a control and regulation unit of the heating device.
  • the senor and/or the light source are preferably arranged outside the combustion chamber behind a window in a housing around the combustion chamber. This simplifies maintenance and no electrical feedthroughs to the combustion chamber are required.
  • arrangements with optical waveguides are also possible, which allow even more flexibility in the arrangement of the light source and sensor.
  • At least one wavelength-selective filter is particularly preferably arranged between the light source and the sensor. In this way, interference can be reduced and/or a certain wavelength range can be observed without complex (electronic) spectral classification.
  • the evaluation electronics are preferably set up to detect the presence and/or the quality of combustion from the measured values of the sensor and to use these for reliable starting and/or operation of the heater.
  • a further aspect also relates to a computer program product comprising instructions which cause the arrangement described to carry out the method described.
  • the evaluation of the data measured by the sensor and their further use in the heater require a program and data for controlling the heater, both of which must be updated from time to time.
  • the explanations for the method can be used for a more detailed characterization of the arrangement, and vice versa.
  • the arrangement can also be set up in such a way that the method is carried out with it.
  • a heater 1 which can be operated in particular with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas.
  • Air (usually outside air/ambient air) is sucked in by a blower 3 via an air supply 2 and conveyed to a burner 7 .
  • fuel gas is added to the air flow generated by the blower 3 in a mixer 6 (eg a Venturi nozzle).
  • the mixture is burned in a combustion chamber 9 surrounded by a housing 10, with a flame region 8 being formed.
  • Combustion gases that arise are discharged via an exhaust system 18 .
  • An optical sensor 11 sensitive to IR radiation is arranged for measurement in such a way that it can observe a measurement area 19 in the combustion chamber 9 (or at least downstream of the flame area 8).
  • the measuring range 19 is outside the flame range 8, which means that interference can be reduced. It is located so close to the flame area that water vapor cannot condense up to there, as condensing parts of the water contained in the combustion gases would falsify the measurements.
  • the sensor 11 can either be designed to be wavelength-sensitive itself (sensitive only to a specific wavelength range), or it can be preceded by an optical filter 13 which only lets through a specific wavelength range in which the line(s) to be observed lies or . lie. This wavelength range is in the infrared range, particularly where water produces absorption lines or bands.
  • such a sensor 11 should not be arranged inside a combustion chamber 9 simply because of its supply lines and its temperature sensitivity, which is why it is preferably located behind a first window 15 arranged in the housing 10 .
  • the filter 13 can be arranged on the inside of the window 15, on the outside or preferably integrated with the window 15.
  • a light source 14 radiates light in the IR range through the Measurement area 19, which is preferably also arranged outside of the housing 10 behind a second window 16 (possibly also with an optical filter 17).
  • the electronic evaluation system 12 is preferably part of a control and regulation unit 22 that controls the entire heater 1 and is connected via control lines 21 to important components such as the blower 3 and the fuel gas valve 5 and regulates them and can switch them off in the event of safety-related events.
  • the infrared-sensitive sensor 11 and the temperature sensor 23 are connected to the evaluation electronics 12 via measuring lines 20 and together with them form a measuring system which can be used as a flame monitor and/or for setting the air/fuel gas ratio for various fuel gases can be used.
  • the present invention makes it possible to implement the flame monitor and/or combustion control functions for pure hydrogen as fuel gas or hydrogen-containing fuel gases with simple and robust instrumentation on a heating device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas mit Luft in einem Verbrennungsraum (9) eines Heizgerätes (1) zur Feststellung des Vorhandenseins von Flammen und/oder der Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas, wobei durch einen von Verbrennungsprodukten durchströmbaren Messbereich (19) infrarotes Licht von einer Lichtquelle (14) zu einem für infrarotes Licht empfindlichen Sensor (11) gestrahlt wird und wobei der Sensor (11) die Intensität des einfallenden Lichtes im Bereich von mindestens einer Absorptionslinie oder -bande von Wasser beobachtet und aus Änderungen der Intensität auf das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung geschlossen wird. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung an einem Heizgerät die Funktionen Flammenwächter und/oder Verbrennungsregelung für reinen Wasserstoff als Brenngas oder wasserstoffhaltige Brenngase zu verwirklichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses in einem mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbaren Heizgerät.
  • Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser. Da es sich bei solchen Geräten um langlebige Güter handelt, gibt es auch Bestrebungen, solche Geräte für einen Betrieb mit verschiedenen Brenngasen vorzubereiten, wobei die Vorbereitung auf einen Betrieb mit Wasserstoff besondere Anforderungen stellt.
  • Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar, strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, und es werden andere Messsysteme benötigt als bei Heizgeräten für Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffen. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders, aber nicht nur geeignet für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 95% aus Wasserstoff besteht, betrieben werden.
  • In Heizgeräten werden bisher im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren für Ionisation, Temperatur, Licht- oder Wärme-Strahlung, Druck, Volumenstrom und dergleichen eingesetzt, um die Heizgeräte zu regeln und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten. Mit bisher üblicher Sensorik lassen sich jedoch bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas manche Messungen nicht zuverlässig durchführen. Eine wichtige Funktion ist das Feststellen des Vorhandenseins einer stabilen Flamme (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert).
  • Eine Verwendung von optischen Sensoren unter Benutzung von optischen Filtern ist für eine spezielle Anwendung bei Heizgeräten, die mit wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden, schon beispielsweise aus der DE 10 2019 101 329 A1 bekannt. Auch aus der EP 2 223 016 B1 sind optische Messsysteme in Heizgeräten bekannt, wobei sich diese beiden Dokumente hauptsächlich mit der Beobachtung der Strahlung von Flammen beschäftigen, also mit Strahlungsemissionen im Verbrennungsraum. Aus der DE 10 2009 009 314 A1 ist auch schon die Nutzung der Absorptionsspektroskopie im infraroten Bereich des Lichtes bekannt, um Flammen zu überwachen oder einen Verbrennungsprozess zu regeln. Bei den dortigen Überlegungen wird Wasserdampf als Störfaktor betrachtet und nicht für die eigentliche Beobachtung ausgewertet.
  • Wegen der hohen Temperaturen und starken Emissionen im Bereich von Flammen sind bekannte Messverfahren und eine Auswertung solcher Messungen mit einem gewissen Aufwand verbunden, da bei sicherheitsrelevanten Funktionen möglichst keine Fehler auftreten sollten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und einer Anordnung geschaffen werden, mit denen sich eine Beobachtung eines Verbrennungsprozesses ohne Verwendung der von Flammen erzeugten Strahlung, nämlich durch Absorptionsspektroskopie, verwirklichen lässt. Diese sollen für Heizgeräte, die mit Wasserstoff als Brenngas oder wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden besonders geeignet sein.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung 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 ein Ausführungsbeispiel an.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brennstoff mit Luft in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes zur Feststellung des Vorhandenseins von Flammen und/oder der Messung des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas bei, wobei durch einen von Verbrennungsprodukten durchströmbaren Messbereich infrarotes Licht von einer Lichtquelle zu einem für infrarotes Licht empfindlichen Sensor gestrahlt wird und wobei der Sensor die Intensität des einfallenden Lichtes beobachtet und aus Änderungen der Intensität auf das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung geschlossen wird.
  • Dabei wird insbesondere von der Überlegung ausgegangen, dass bei einer Verbrennung Verbrennungsprodukte entstehen, deren Nachweis in einem Messbereich außerhalb einer eigentlichen Verbrennungszone genauso sichere Rückschlüsse auf das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung ermöglicht wie beispielsweise eine direkte Beobachtung der Flamme. Es ist ggf. lediglich eine Verzögerung zu berücksichtigen, die die Verbrennungsprodukte für den Weg von der Verbrennungszone bis zum Messbereich benötigen. Die Verzögerung ist umso geringer, je näher der Messbereich an der Verbrennungszone liegt. Materie in einem Messbereich, der von Licht durchstrahlt wird, schwächt dieses Licht auf unterschiedliche Weise ab, insbesondere durch die Absorption in für verschiedene Atome oder Moleküle unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Es entstehen sogenannte Absorptionslinien oder -banden, deren Wellenlängen und Intensitätsabnahmen einen Rückschluss auf die Menge und Art von in dem Messbereich vorhandener Materie erlauben. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze.
  • Dazu wird mindestens eine Absorptionslinie oder -bande des Wassers beobachtet. Wasser (in gasförmigem Zustand) ist nämlich das quantitativ gut nachweisbare Verbrennungsprodukt von Wasserstoff mit Luft und eignet sich besonders für den gewünschten Verwendungszweck. Tatsächlich ist der Wasseranteil im Verbrennungsgas in eineindeutiger Weise mit dem Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas verknüpft, so dass sich die Messung des Wasseranteils im Verbrennungsgas als sehr geeignet für eine Regelung dieses Verhältnisses herausgestellt hat. Ein Wassermolekül weist im gasförmigen Zustand insbesondere drei Arten von Übergängen auf, die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung (u. a. Licht) führen können:
    1. i. Rotationsübergänge, bei denen das Molekül ein Quantum Rotationsenergie gewinnt. Wasserdampf führt zu einer Absorption im fernen Infrarotbereich des Spektrums von etwa 200 cm-1 [1/Zentimeter] (50 µm [Micrometer]) bis zu längeren Wellenlängen in Richtung Mikrowellenbereich.
    2. ii. Schwingungsübergänge, bei denen ein Molekül ein Quantum Schwingungsenergie gewinnt. Die fundamentalen Übergänge führen zu einer Absorption im mittleren Infrarot in den Bereichen um 1650 cm-1 (µ-Bande, 6 µm) und 3500 cm-1 (sogenannte X-Bande, 2,9 µm).
    3. iii. Elektronische Übergänge, bei denen ein Molekül in einen angeregten elektronischen Zustand versetzt wird.
  • Im Folgenden ist mit Absorptionslinie oder -bande immer ein enger Spektralbereich gemeint, der sich selektiv beobachten lässt, insbesondere mit einem nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometer (NDIR). Durch Beobachtung der Intensität von Licht, welches mit diesem Spektralbereich ein Gasvolumen (Messbereich) durchlaufen hat, kann der Anteil bestimmter Gase (insbesondere Wasser) in dem Gasvolumen bestimmt werden. Da bei einer Verbrennung von Wasserstoff als Verbrennungsprodukt nur Wasser entsteht und bei Verbrennung anderer Brenngase ebenfalls Wasser gebildet wird, lässt sich auch schon das Zünden einer Flamme im Verbrennungsraum (also der Beginn eines Verbrennungsprozesses) durch das Auftreten einer oder mehrerer Absorptionslinien, die vorher nicht vorhanden oder weniger ausgeprägt waren, erkennen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor Teil eines nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometers (NDIR). Die nicht-dispersive Infrarot-Spektroskopie ist weit entwickelt und kostengünstig zur Analyse von Gasen einsetzbar, so dass ein NDIR-Spektrometer auch ein alltagstauglicher Teil einer Steuer- und Regeleinheit eines Heizgerätes sein kann.
  • Für eine Kalibrierung und korrekte Messung ist es sinnvoll, schon bei (noch) ausgeschaltetem Brenner und/oder vor dessen Zünden mindestens eine Absorptionslinie zu beobachten. Da immer etwas Feuchtigkeit in Luft vorhanden ist, kann dieser Anteil z. B. bei laufendem Gebläse eines Heizgerätes aber noch ohne Brenngaszufuhr (oder jedenfalls vor einer Zündung des Verbrennungsprozesses) beobachtet und so aus folgenden Messungen eliminiert werden.
  • Nach einem Start des Heizgerätes wird dann aus einem Abfall der Intensität im Bereich mindestens einer Absorptionslinie des Wassers auf ein Zünden der Verbrennung und/oder aus einer Zunahme der Intensität auf ein Verlöschen der Verbrennung geschlossen.
  • Besonders bevorzugt wird während einer Verbrennung und bei Änderungen eines Verhältnisses von Brenngas zu Luft die Intensität der mindestens einen Absorptionslinie von Wasser beobachtet, wobei aus dem Verlauf der Intensität im Vergleich zu Kalibrierkurven und/oder Erfahrungswerten auf das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas geschlossen wird. Neben der einfachen Erkennung, ob eine Verbrennung vorhanden ist, kann nämlich auch eine Messung des Luftverhältnisses durchgeführt werden. Die höchste Intensitätsabnahme bei Wasserdampfabsorption ist für das Luftverhältnis 1 (Lambda = 1) zu messen. Durch Verdünnungseffekte sinkt die Intensität zu höheren Luftverhältnissen (überstöchiometrischer Betrieb) stark ab, während diese bei einem unterstöchiometrischen Betrieb weniger stark abstinkt, da der Verdünnungsgrad geringer ist. Es können z. B. in einem Labor charakteristische Kurven für die Intensitätsabnahme für den überstöchiometrischen und unterstöchiometrischen Betrieb bestimmt und in einer Steuer- und Regeleinheit hinterlegt werden. Durch Vergleich gemessener Werte mit gespeicherten Werten kann auf über- und unterstöchiometrischen Betrieb geschlossen werden. Durch entsprechende Verstellung des Brenngases/Luftgemisches kann so ein überstöchiometrischer Betrieb als gewünschte Betriebsweise erzeugt werden. Darüber hinaus kann durch weitere Auswertung von Messwerten auf die Konzentration des Wasserdampfes und somit auf das Luftverhältnis geschlossen werden, sobald sichergestellt ist, dass ein überstöchiometrischer Betrieb vorliegt. So kann eine Regelung des Luftverhältnisses ermöglicht werden.
  • Bevorzugt wird Licht zumindest der beobachteten Wellenlängenbereiche der beobachteten Absorptionslinien durch den Messbereich zu dem Sensor geschickt. Um Störeinflüsse möglichst gering zu halten, kann es sinnvoll sein, nur infrarotes Licht aus wenigen Wellenlängenbereichen durch den Messbereich zu schicken bzw. vor dem Sensor auszufiltern. Dies kann durch eine entsprechende Lichtquelle und/oder durch geeignete optische Filter erreicht werden. Moderne Spektrometer können zwar auch Absorptionslinien oder -bande in einem breiten Spektralbereich gleichzeitig beobachten, jedoch wird die Auswertung schneller, einfacher und/oder kostengünstiger, wenn nur ausgewählte Spektralbereiche beobachtet werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas mit Luft in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes zur Feststellung des Vorhandenseins von Flammen und/oder der Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas bei, wobei eine Lichtquelle für infrarotes Licht und ein Sensor zumindest für infrarotes Licht im Bereich von mindestens einer Absorptionslinie oder -bande von Wasser vorhanden sind, zwischen denen ein von Verbrennungsgasen durchströmbarer Messbereich liegt und wobei der Sensor mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die eingerichtet ist, die Intensität des einfallenden Lichtes im Bereich von mindestens einer Absorptionslinie oder -bande von Wasser zu beobachten und aus deren Verlauf auf das Vorhandensein von Flammen und/oder das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas zu schließen.
  • Bevorzugt ist der Messbereich so angeordnet, dass bis dorthin das im Verbrennungsprozess entstandene Wasser noch gasförmig ist. Eine Kondensation von Teilen des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wasserdampfes schon vor dem Sensor würde die Messungen verfälschen, weshalb dies möglichst vermieden werden muss. Der Messbereich sollte daher nah genug an dem Flammenbereich liegen, dass bis dahin keine Kondensation stattfindet, insbesondere im Verbrennungsraum oder nah am Verbrennungsraum im Abgassystem.
  • Bevorzugt ist der Sensor Teil eines nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometers. Dieses kann zur Auswerteelektronik gehören und/oder mit dieser ein Teil einer Steuer- und Regeleinheit des Heizgerätes sein.
  • Zwar gibt es Lichtquellen und Sensoren, die auch für eine Anordnung in einem Verbrennungsraum geeignet sind, jedoch sind bevorzugt der Sensor und/oder die Lichtquelle außerhalb des Verbrennungsraumes hinter einem Fenster in einem Gehäuse um den Verbrennungsraum angeordnet. So wird eine Wartung vereinfacht, und es werden keine elektrischen Durchführungen zu dem Verbrennungsraum benötigt. Auch Anordnungen mit Lichtwellenleitern sind jedoch möglich, die noch mehr Spielraum bei der Anordnung von Lichtquelle und Sensor ermöglichen.
  • Besonders bevorzugt ist zwischen der Lichtquelle und dem Sensor mindestens ein wellenlängenselektives Filter angeordnet. So können Störeinflüsse reduziert werden und/oder ein bestimmter Wellenlängenbereich ohne komplexe (elektronische) spektrale Einteilung beobachtet werden.
  • Bevorzugt ist die Auswerteelektronik (als Teil einer Steuer- und Regeleinheit) eingerichtet, das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung aus den Messwerten des Sensors zu erkennen und diese zu einem sicheren Start und/oder Betrieb des Heizgerätes zu verwenden.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der vom Sensor gemessenen Daten und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Steuerung des Heizgerätes, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung 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 schematischen Figuren näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    ein Heizgerät mit Messsystem für die Absorption von Infrarot-Strahlung und
    Fig. 2:
    die Abhängigkeit des Wassergehaltes im Verbrennungsgas vom Lambda-Wert bei Verbrennung von reinem Wasserstoff.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches insbesondere mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Über eine Luftzufuhr 2 wird Luft (meist Außenluft/Umgebungsluft) von einem Gebläse 3 angesaugt und zu einem Brenner 7 gefördert. Über eine Brenngaszufuhr 4 und ein Brenngasventil 5 wird dem vom Gebläse 3 erzeugten Luftstrom Brenngas in einem Mischer 6 (z. B. einer Venturi-Düse) beigemischt. Das Gemisch wird in einem Verbrennungsraum 9, der von einem Gehäuse 10 umgeben ist, verbrannt, wobei ein Flammenbereich 8 entsteht. Entstehende Verbrennungsgase werden über eine Abgasanlage 18 abgeführt. Ein für IR-Strahlung empfindlicher optischer Sensor 11 ist zur Messung so angeordnet, dass er einen Messbereich 19 im Verbrennungsraum 9 (oder jedenfalls stromabwärts des Flammenbereiches 8) beobachten kann. Der Messbereich 19 liegt außerhalb des Flammenbereiches 8, wodurch Störeinflüsse reduziert werden können. Er ist so nah am Flammenbereich angeordnet sein, dass Wasserdampf bis dorthin noch nicht kondensieren kann, da ein Kondensieren von Teilen des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wassers die Messungen verfälschen würde. Der Sensor 11 kann entweder selbst wellenlängensensitiv (empfindlich nur für einen bestimmten Wellenlängenbereich) ausgelegt sein, oder es kann ihm ein optisches Filter 13 vorgeschaltet sein, welches nur einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt, in dem die zu beobachtende(n) Linie(n) liegt bzw. liegen. Dieser Wellenlängenbereich liegt im Infrarotbereich insbesondere dort, wo Wasser Absorptionslinien oder -banden erzeugt. Im Allgemeinen soll ein solcher Sensor 11 schon wegen seiner Zuleitungen und seiner Temperaturempfindlichkeit nicht innerhalb eines Verbrennungsraumes 9 angeordnet werden, weshalb er bevorzugt hinter einem im Gehäuse 10 angeordneten ersten Fenster 15 liegt. Das Filter 13 kann innen am Fenster 15, außen oder bevorzugt integriert mit dem Fenster 15 angeordnet sein. Eine Auswerteelektronik 12, mit der der Sensor 11 verbunden ist, wertet die Messignale des Sensors 11 aus und schließt daraus auf das Vorhandensein von Wasser und ermittelt gegebenenfalls auch quantitativ dessen Konzentration im Messbereich 19. Dazu strahlt eine Lichtquelle 14 Licht im IR-Bereich durch den Messbereich 19, die bevorzugt auch außerhalb des Gehäuses 10 hinter einem zweiten Fenster 16 (möglicherweise auch mit einem optischen Filter 17) angeordnet ist. Von dieser Lichtquelle 14 abgestrahltes Licht (jedenfalls im beobachteten Wellenlängenbereich) erreicht den Sensor 11 durch den Messbereich 19. Irgendwo im Strahlengang kann ein optisches Filter 13, 17 angeordnet sein, um eine genügende Empfindlichkeit der Messung zu erreichen. Allerdings können mit modernen NDIR-Spektrometern auch ein größerer Infrarot-Bereich beobachtet und mehrere dort auftretende Absorptionslinien oder-banden parallel ausgewertet werden, so dass es keiner optischen Filter bedarf. Sinnvoll ist es aber, eine Temperaturkorrektur vorzunehmen, wozu ein Temperatursensor 23 im Messbereich 19 oder in dessen Nähe angeordnet ist. Da Infrarot-Strahlung (Wärmestrahlung) auch von der Temperatur in einer Messumgebung abhängt, ist eine Korrektur wichtig. Diese kann mit gespeicherten Labordaten und/oder Erfahrungswerten nach einer Korrekturkurve in der Auswerteelektronik 12 erfolgen.
  • Die Auswerteelektronik 12 ist bevorzugt Teil einer Steuer- und Regeleinheit 22, die das ganze Heizgerät 1 steuert und über Steuerleitungen 21 mit wichtigen Komponenten wie dem Gebläse 3 und dem Brenngasventil 5 verbunden ist und diese regelt und bei sicherheitsrelevanten Ereignissen abschalten kann. Der infrarotempfindliche Sensor 11 und der Temperatursensor 23 (möglicherweise auch die Lichtquelle 14) sind über Messleitungen 20 mit der Auswerteelektronik 12 verbunden und bilden mit dieser zusammen ein Messsystem, welches als Flammenwächter und/oder für die Einstellung des Luft-Brenngas-Verhältnisses für verschiedene Brenngase genutzt werden kann.
  • Es sei erwähnt, dass räumlich andere Anordnungen möglich sind, insbesondere, wenn Lichtwellenleiter zu einer Weiterleitung von Licht an eine gewünschte Stelle eingesetzt werden. Die bisher beschriebene Anordnung kann Absorptionslinien von Wasser messen, die durch bei einer Verbrennung entstehenden Wasserdampf im Messbereich 19 entstehen.
  • Fig. 2 veranschaulicht, warum sich gerade die Absorptionsmessungen an Wasser(dampf) für die Messung und damit Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas eignen. Die dargestellte Kurve des Wassergehaltes (gasförmig in Volumenprozent) in Abhängigkeit von der Luftzahl Lambda zeigt eine stetige Abnahme der Wasserkonzentration im Abgas in Abhängigkeit vom Verhältnis von Luft zu Brenngas bei einer Verbrennung von reinem Wasserstoff. Jede Wasserkonzentration kann damit einem Lambda-Wert eindeutig zugeordnet werden. Die Abhängigkeit ist auch stark genug, insbesondere in dem wichtigen Bereich von Lambda zwischen 1 und 2, um selbst bei Messungenauigkeiten noch sicher regeln zu können. Dies trifft nicht nur bei Verbrennung von reinem Wasserstoff zu, sondern auch bei wasserstoffhaltigen Brenngasen, insbesondere bei hohen Wasserstoffanteilen im Brenngas.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung an einem Heizgerät die Funktionen Flammenwächter und/oder Verbrennungsregelung für reinen Wasserstoff als Brenngas oder wasserstoffhaltige Brenngase, zu verwirklichen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Luftzufuhr
    3
    Gebläse
    4
    Brenngaszufuhr
    5
    Brenngasventil
    6
    Mischer
    7
    Brenner
    8
    Flammenbereich
    9
    Verbrennungsraum
    10
    Gehäuse (des Verbrennungsraumes)
    11
    Sensor
    12
    Auswerteelektronik (mit NDIR)
    13
    Erstes optisches Filter
    14
    Lichtquelle
    15
    Erstes Fenster
    16
    Zweites Fenster
    17
    Zweites optisches Filter
    18
    Abgasanlage
    19
    Messbereich
    20
    Messleitung
    21
    Steuerleitungen
    22
    Steuer- und Regeleinheit
    23
    Temperatursensor

Claims (12)

  1. Verfahren zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas mit Luft in einem Verbrennungsraum (9) eines Heizgerätes (1) zur Feststellung des Vorhandenseins von Flammen und/oder der Messung des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas, wobei durch einen von Verbrennungsprodukten durchströmbaren Messbereich (19) infrarotes Licht von einer Lichtquelle (14) zu einem für infrarotes Licht empfindlichen Sensor (11) gestrahlt wird, wobei der Sensor (11) die Intensität des einfallenden Lichtes beobachtet, und aus Änderungen der Intensität zumindest auf das Vorhandensein oder die Qualität einer Verbrennung geschlossen wird und wobei mindestens eine Absorptionslinie oder -bande des Wassers beobachtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Absorptionslinie oder -bande bei ausgeschaltetem Brenner (7) und/oder vor dessen Zünden beobachtet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach einem Start des Heizgerätes (1) aus einem Abfall der Intensität im Bereich mindestens einer Absorptionslinie oder -bande des Wassers auf ein Zünden der Verbrennung und/oder aus einer Zunahme der Intensität auf ein Verlöschen der Verbrennung geschlossen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während einer Verbrennung und bei Änderungen eines Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas die Intensität der mindestens einen Absorptionslinie oder-bande von Wasser beobachtet wird, wobei aus dem Verlauf der Intensität im Vergleich zu Kalibrierkurven und/oder Erfahrungswerten auf das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas geschlossen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Licht zumindest der beobachteten Wellenlängenbereiche der beobachteten Absorptionslinien oder -banden durch den Messbereich (19) zu dem Sensor (11) geschickt wird.
  6. Anordnung zur Beobachtung eines Verbrennungsprozesses von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas mit Luft in einem Verbrennungsraum (9) eines Heizgerätes (1) zur Feststellung des Vorhandenseins von Flammen und/oder der Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas, wobei eine Lichtquelle (14) für infrarotes Licht und ein Sensor (11) zumindest für infrarotes Licht im Bereich von mindestens einer Absorptionslinie oder -bande von Wasser vorhanden sind, zwischen denen ein von Verbrennungsgasen durchströmbarer Messbereich (19) liegt und wobei der Sensor (11) mit einer Auswerteelektronik (12) verbunden ist, die eingerichtet ist, die Intensität des einfallenden Lichtes im Bereich von mindestens einer Absorptionslinie oder -bande von Wasser zu beobachten und aus deren Verlauf auf das Vorhandensein von Flammen und/oder das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas zu schließen.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Messbereich (19) so angeordnet ist, dass bis dorthin das im Verbrennungsprozess entstandene Wasser noch gasförmig ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Sensor (11) Teil eines nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometers (NDIR) ist.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Sensor (11) und/oder die Lichtquelle (14) außerhalb des Verbrennungsraumes (9) hinter einem Fenster (15, 16) in einem Gehäuse (10) um den Verbrennungsraum (9) angeordnet sind.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei zwischen der Lichtquelle (14) und dem Sensor (11) mindestens ein wellenlängenselektives Filter (13, 17) angeordnet ist.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Auswerteelektronik (12) eingerichtet ist, das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Verbrennung aus den Messwerten des Sensors (11) zu erkennen und diese zu einem sicheren Start und/oder Betrieb des Heizgerätes (1) zu verwenden.
  12. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.
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