EP4083503A1 - Verfahren und anordnung zur erhöhung der ladungsträgerkonzentration in der nähe einer ionisationselektrode in einem heizgerät - Google Patents

Verfahren und anordnung zur erhöhung der ladungsträgerkonzentration in der nähe einer ionisationselektrode in einem heizgerät Download PDF

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EP4083503A1
EP4083503A1 EP22164970.0A EP22164970A EP4083503A1 EP 4083503 A1 EP4083503 A1 EP 4083503A1 EP 22164970 A EP22164970 A EP 22164970A EP 4083503 A1 EP4083503 A1 EP 4083503A1
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EP
European Patent Office
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substance
ionization
vicinity
ionization electrode
electrode
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Christian Fischer
Matthias Wodtke
Peter Freidank
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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    • 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
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • 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
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/725—Protection against flame failure by using flame detection devices
    • 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
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for increasing the charge carrier concentration in the vicinity of an ionization electrode, which can be operated in a heating device that can be operated with a (solid, liquid and/or gaseous) fuel, such as oil, hydrogen and/or a fuel gas containing hydrogen and is used in particular for controlling a gas-air mixture and/or monitoring flames.
  • a (solid, liquid and/or gaseous) fuel such as oil, hydrogen and/or a fuel gas containing hydrogen and is used in particular for controlling a gas-air mixture and/or monitoring flames.
  • 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.
  • Some fuels such as B. hydrogen
  • the ionization is much lower in the flame generated with it.
  • the proven measuring principle of ionization measurement for detecting flames in a combustion chamber which is often used with conventional fuel gases, cannot be used without further ado for heaters if they are operated with fuels that form a lower charge concentration in the area of the ionization electrode. This applies, for example, to the use of pure hydrogen or with a fuel gas that consists of more than 50%, in particular more than 95%, hydrogen.
  • ionization measuring devices An important function of ionization measuring devices is the determination of the presence of a stable flame (a so-called flame monitor), another is the setting of a ratio of combustion air to fuel gas that is suitable for reliable, stable and environmentally friendly combustion (lambda value control). Certain minimum ion currents are required for both, which are not always available when hydrogen is used as the fuel gas.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and in particular to create a method and an arrangement that increase the charge carrier concentration in the vicinity of an ionization electrode when flames are to be observed in a combustion chamber, wherein the arrangements should be simple and suitable for everyday operation of a heater.
  • the method explained below for increasing the charge carrier concentration in the vicinity of an ionization electrode contributes to this, which method is used in particular to regulate a gas-air mixture and/or monitor flames in a combustion chamber of a heating device.
  • a mixture of air and a fuel in particular a fuel gas with a hydrogen content of more than 50%, is supplied to the heater through openings in a burner body.
  • at least one substance promoting ionization is provided at least in the vicinity of the ionization electrode, possibly added, and/or the proportion of this substance is increased.
  • an ionization electrode in the vicinity or surroundings of an ionization electrode does not necessarily mean in the entire combustion chamber or in the entire area of the combustion chamber filled with flames, but means in particular the area that can be influenced by an ionization electrode and a voltage applied to it.
  • This is in particular an area between the ionization electrode and counter-electrode (e.g. a porous burner body, possibly formed with a metallic or ceramic material) and/or a (in particular cylindrical) area of up to 10 cm [centimetres], in particular up to 5 cm to the ionization electrode.
  • the environment can also include the surface of the ionization electrode.
  • the method proposed here in particular increasing the proportion of the substance, can also (only) be carried out if the heater is (temporarily) operated in predetermined conditions (unfavorable in terms of ionization), for example at (a) low heat loads (e.g. ⁇ 20% Qn, where Qn represents the normal heat load or the primary operating point of the heater) and/or (b) lean gas-air mixture (e.g. lambda > 1.6). If these operating ranges are left again, addition of the substance can be reduced or stopped again if necessary.
  • low heat loads e.g. ⁇ 20% Qn, where Qn represents the normal heat load or the primary operating point of the heater
  • lean gas-air mixture e.g. lambda > 1.6
  • air is also such a substance, especially its nitrogen and carbon dioxide components.
  • An additional supply of air z. B. fed only with air openings in a burner body is therefore advantageous.
  • the lambda value changes locally, but this only has a minor effect on the entire combustion process.
  • the use of additional carbon dioxide is also very effective because this substance can provide many charge carriers. if If there is enough carbon dioxide available, it can simply be mixed with the air and/or the fuel. In order to reduce consumption, it can make sense to only provide an additional supply in the vicinity of the ionization electrode.
  • Correspondingly effective substances can be used with other fuels, such as suitable petroleum gases (propane, butane, etc.).
  • the substance promoting ionization is a substance ionizable under ultraviolet radiation, which is placed in the vicinity of the ionization electrode.
  • Hydrogen flames produce strong ultraviolet radiation that can be used to generate charge carriers when a substance is irradiated by it, which releases electrons under this irradiation. This substance is not used up, or only very slowly, and eventually captures electrons again and is therefore permanently available for the emission of charge carriers.
  • Certain metal oxides that are stable under the conditions prevailing in a combustion chamber are particularly suitable.
  • a coating with titanium dioxide (as a substance promoting ionization) is preferably applied to existing components or an additional component with titanium dioxide is applied in the vicinity of the ionization electrode.
  • a coating with aluminum oxide (as a substance promoting ionization) is applied to existing components in the vicinity of the ionization electrode, or an additional component with aluminum oxide is applied.
  • Titanium dioxide or aluminum oxide has the desired property of releasing electrons under ultraviolet radiation and is suitable as a coating for metallic components. It can therefore be applied to existing components in the vicinity of the ionization electrode and/or an additional component, e.g. B. a rod or sheet metal attached.
  • Another possibility is to add a substance with low ionization energy, which releases valence electrodes at flame temperature, to the area surrounding the ionization electrode.
  • Suitable substances of this type that promote ionization are, for example, some salts which are present in solid form (as crystals) at the temperatures occurring here. They decompose (albeit very slowly) under the influence of flame, requiring periodic refilling or continuous feeding.
  • Sodium chloride (NaCl) is particularly suitable as a substance with a low ionization energy. This is available inexpensively and its crystals can be shaped into any shape and are therefore easy to supply.
  • the substance with low ionization energy is supplied in solid form via a supply mechanism (continuously, at least over a predeterminable operating period).
  • the mechanism can have a very simple structure and, for example, replace material that has been used up on a tip of a rod by pushing it up with a spring.
  • An arrangement for increasing the charge carrier concentration in the vicinity of an ionization electrode (for controlling a gas-air mixture and/or monitoring flames) in a combustion chamber of a heater, which contains a mixture of air and a fuel, in particular a fuel gas with more than 50% hydrogen content, can be fed through openings in a burner body, means being present at least in the vicinity of the ionization electrode for providing or increasing a proportion of a substance that promotes ionization.
  • the means addressed here can be a device for making the substance available as needed. These means may include storage, delivery, and/or delivery components. It is possible for at least one means to be permanently assigned to the ionization electrode. It is possible for the agent to be a component or coating made from the substance that promotes ionization, which is provided in particular on or on the ionization electrode. In particular, the means are positioned on the ionization electrode up to a predefinable surrounding boundary. The environment is in particular an area between the ionization electrode and the counter-electrode and/or a (in particular cylindrical) area of up to 10 cm [centimetres], in particular up to 5 cm, around the ionization electrode.
  • the means are at least one additional inlet for a gaseous substance, such as in particular air or carbon dioxide or a petroleum gas (propane, butane, etc.).
  • a gaseous substance such as in particular air or carbon dioxide or a petroleum gas (propane, butane, etc.). If a pre-mixing of air and fuel only takes place behind a blower, air can be branched off in front of the mixture and fed to an area in the vicinity of the ionization electrode. This increases the proportion of nitrogen and carbon dioxide there, which intensifies ionization. The same can also be achieved by feeding in carbon dioxide.
  • the agents are components of or are coated with a substance that can be ionized under ultraviolet radiation, in particular titanium dioxide.
  • a low ionization energy solid material delivery mechanism that releases valence electrodes at flame temperature.
  • this can be sodium chloride (NaCl).
  • the feed mechanism is particularly preferably arranged between the ionization electrode and the burner body and has a metal tube for feeding rod-shaped sodium chloride crystal, the tube being connected to a housing of the combustion chamber in a thermally conductive manner for cooling.
  • a feed mechanism can be of simple construction and cause sodium chloride to be continuously fed in by means of spring force, with sodium chloride not being exposed to the flames being protected by the metal tube and this being cooled via a connection to a housing.
  • 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.
  • the different measures to increase ionization can be used individually, but also in any combination. They have an additive effect and can therefore also be used together in difficult cases.
  • FIG. 1 shows schematically a section of a longitudinal section through a combustion chamber 1 of a heater, which can be operated with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas.
  • a mixture G of air L and fuel gas from a burner interior 15 enters the combustion chamber 1 through openings 3 in a burner body 2 and burns there with the formation of flames 4.
  • the flames 4 ionize the mixture and/or the gaseous combustion products produced therefrom.
  • the yield of charge carriers when hydrogen is burned is very low, so that reliable monitoring of the flames 4 by means of an ionization measuring system is not readily possible.
  • Salts are particularly suitable for this purpose, in particular sodium chloride (NaCl).
  • a salt crystal rod 8 is pressed against a cover 10 by means of a compression spring 12, a small part of the salt crystal rod 8 being exposed to the flames 4 through at least one window 11. This part is used up over time and the remaining salt crystal rod 8 is then pushed in by the compression spring 12 .
  • the salt crystal rod 8 can be removed from outside the Combustion chamber 1 to be renewed.
  • the ionization electrode 5 is preferably attached to a so-called burner door 7 by means of an electrically insulating bushing 6 .
  • the burner door 7 is part of a housing (not shown) surrounding the combustion chamber.
  • the burner body 2 is also attached to it, with the supply of relatively cold mixture G keeping the burner door 7 at a much lower temperature during operation than in the combustion chamber 1 (and in particular in the flames 4). This can be used to keep the salt crystal rod 8 also at a lower temperature, except in the area of the window 11, which extends its service life.
  • the guide tube 9 (which generally consists of metal) can be coupled to the burner door 7 by a heat-conducting connection 18 .
  • Another embodiment of the invention is 2 shown schematically. Since an increase in the charge carrier concentration can also be achieved by increasing the concentration of carbon dioxide and/or nitrogen at least in the area around 13 of an ionization electrode 5, an additional inlet 14 for air L is provided, so that mixture G of air and fuel gas can flow through the interior of the burner 15 is directed into the entire combustion chamber 1, but additional air reaches the surroundings 13 of the ionization electrode 5.
  • This air can be diverted from a fan or supplied in some other way.
  • Additional carbon dioxide can also be supplied instead of air. This can optionally be added to the air L, the fuel gas or the mixture G. However, the least carbon dioxide is required if it is only supplied through the additional inlet 14 .
  • Carbon dioxide can be stored in a pressure vessel (not shown) and metered in when the heater is started, which means that, depending on the size of the pressure vessel, the carbon dioxide only has to be refilled at maintenance intervals that are required anyway.
  • a system with pressure cartridges similar to that used in the preparation of carbonated beverages can also be envisaged.
  • FIG. 12 shows schematically a further embodiment of the invention, in which a surface of an existing or additionally installed component 17 in the vicinity of the ionization electrode 5 consists of or is coated with a material which releases electrons under ultraviolet radiation.
  • a suitable coating 16 can consist of titanium dioxide, for example. Since hydrogen flames emit strong ultraviolet radiation, additional charge carriers are released, which intensify ionization.
  • the present invention makes it possible to use cost-effective ionization measuring systems even when using fuel gas containing hydrogen or pure hydrogen as fuel gas in a heating device for monitoring flames and/or for controlling a combustion process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erhöhen der Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode (5) zum Regeln eines Gas-Luft-Gemisches und/oder Überwachen von Flammen (4) in einem Verbrennungsraum (1) eines Heizgerätes, welchem ein Gemisch (G) aus Luft (L) und einem Brennstoff, insbesondere Brenngas mit mehr als 50% Wasserstoffanteil, durch Öffnungen (3) in einem Brennerkörper (2) zugeführt wird, wobei zumindest in der Umgebung (13) der lonisationselektrode (5) mindestens ein eine Ionisation begünstigender Stoff bereitgestellt oder der Anteil dieses Stoffes erhöht wird. Die Erfindung erlaubt es, kostengünstige lonisationsmesssysteme auch bei Verwendung von Brennstoffen geringer Ladungsträgerkonzentration in einem Heizgerät zur Überwachung von Flammen (4) und/oder zur Regelung eines Verbrennungsvorganges einzusetzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode, die in einem Heizgerät, das mit einem (festen, flüssigen und/oder gasförmigen) Brennstoff, wie z.B. Öl, Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas, betreibbar ist, und insbesondere zum Regeln eines Gas-Luft-Gemisches und/oder Überwachen von Flammen eingesetzt wird.
  • 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.
  • Manche Brennstoffe, wie z. B. Wasserstoff, unterscheiden sich bei der Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist in der damit erzeugten Flamme die Ionisierung viel geringer. Es sind viel weniger Ladungsträger vorhanden, die für eine lonisationsmessung genutzt werden können. Als Folge ist das bewährte Messprinzip der lonisationsmessung zur Detektion von Flammen in einem Verbrennungsraum, welches bei herkömmlichen Brenngasen oft eingesetzt wird, nicht ohne weiteres für Heizgeräte einsetzbar, wenn diese mit Brennstoffen betrieben werden, die eine geringere Ladungskonzentration im Bereich der lonisationselektrode bilden. Dies gilt beispielsweise für den Einsatz von reinem Wasserstoff oder mit einem Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 95% aus Wasserstoff besteht. Für die sichere Auswertung von lonisationsmessungen ist in allen Betriebszuständen eine Mindestkonzentration von Ladungsträgern (Ionen und Elektronen) in der Nähe der lonisationselektrode erforderlich, die durch Anlegen einer Spannung bewegt werden können und dann einen lonisationsstrom erzeugen. In Wasserstoffflammen ist dies nicht immer der Fall.
  • Eine wichtige Funktion von lonisationsmessgeräten ist das Feststellen des Vorhandenseins einer stabilen Flamme (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine zuverlässige, stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert-Regelung). Für beides sind gewisse Mindest-Ionenströme erforderlich, die bei Wasserstoff als Brenngas nicht immer zur Verfügung stehen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die die Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode erhöhen, wenn Flammen in einem Verbrennungsraum beobachtet werden sollen, wobei die Anordnungen einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Heizgerätes sein sollen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung 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.
  • Hierzu trägt das nachfolgend erläuterte Verfahren zum Erhöhen der Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode bei, welches insbesondere zum Regeln eines Gas-Luft-Gemisches und/oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes dient. Dem Heizgerät wird dabei ein Gemisch aus Luft und einem Brennstoff, insbesondere einem Brenngas mit mehr als 50% Wasserstoffanteil, durch Öffnungen in einem Brennerkörper zugeführt. Weiter ist vorgesehen, dass zumindest in der Umgebung der lonisationselektrode mindestens ein eine Ionisation begünstigender Stoff bereitgestellt, ggf. hinzugefügt, und/oder der Anteil dieses Stoffes erhöht wird.
  • Eine Ertüchtigung bekannter lonisationsmesssysteme für Brennstoffe mit geringer Ladungsträgerkonzentration im Bereich der Flamme, wie z. B. bei Wasserstoff als Brenngas, ist möglich, wenn während des Betriebes zumindest in der Umgebung der lonisationselektrode genügend Ladungsträger (permanent oder zeitlich begrenzt) bereitgestellt und/oder erzeugt werden können, die nicht (unmittelbar) bei bzw. aus der Verbrennung des eigentlichen Luft-Brenngas-Gemisches entstehen. Es wird hier vorgeschlagen, einen zusätzlichen Stoff bereit zu stellen, der unter den in der Umgebung der lonisationselektrode herrschenden Bedingungen (Flammen von mehr als 1.000 K [Kelvin]) (zusätzliche bzw. verbrennungsexterne) Ladungsträger zur Verfügung stellt. Für eine höhere Ausbeute an Ladungsträgern und damit einen größeren, besser auswertbaren lonenstrom reicht es aus, wenn eine Erhöhung der Ladungsträger in der Umgebung der lonisationselektrode erreicht wird, aber es kann auch die Dichte an Ladungsträgern überall in den Flammen erhöht werden, wenn dies technisch einfacher zu erreichen ist.
  • In der Nähe bzw. Umgebung einer lonisationselektrode bedeutet im hier vorliegenden Zusammenhang nicht notwendigerweise im ganzen Verbrennungsraum bzw. im gesamten von Flammen erfüllten Bereich des Verbrennungsraumes, sondern meint insbesondere den Bereich, der von einer lonisationselektrode und einer an dieser anliegenden Spannung beeinflussbar ist. Das ist insbesondere ein Bereich zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode (z. B. ein poröser Brennerkörper, ggf. gebildet mit einem metallischen oder keramischen Material) und/oder ein (insbesondere zylindrischer) Bereich von bis zu 10 cm [Zentimeter], insbesondere bis zu 5 cm, um die lonisationselektrode. Die Umgebung kann grundsätzlich auch die Oberfläche der lonisationselektrode umfassen.
  • Das hier vorgeschlagene Verfahren, insbesondere die Erhöhung des Anteils des Stoffes, kann auch (nur) dann ausgeführt werden, wenn das Heizgerät (vorübergehend) in vorbestimmten (hinsichtlich der Ionisierung ungünstigen) Zuständen betrieben wird, beispielsweise bei (a) niedrigen Wärmelasten (z.B. < 20% Qn, wobei Qn die Normal-Wärmelast bzw. der primäre Betriebspunkt des Heizgerätes darstellt) und/oder (b) mageren Gas-Luft-Gemisch (z.B. Lambda > 1,6). Werden diese Betriebsbereiche wieder verlassen, kann ggf. eine Zugabe des Stoffes wieder reduziert bzw. eingestellt werden.
  • Tatsächlich ist auch Luft ein solcher Stoff, insbesondere ihre Anteile an Stickstoff und Kohlendioxid. Das gilt insbesondere für Wasserstoff bzw. Brenngas mit mehr als 50% Wasserstoffanteil, weil ein höherer Anteil an Kohlendioxid und Stickstoff die Ionisation erhöht, was eine Temperaturerhöhung nicht bewirken würde. Eine zusätzliche Zufuhr von Luft z. B. durch nur mit Luft gespeiste Öffnungen in einem Brennerkörper ist daher vorteilhaft. Dadurch verändert sich lokal der Lambda-Wert, was aber auf die gesamte Verbrennung nur einen geringen Einfluss hat. Auch die Verwendung von zusätzlichem Kohlendioxid (ggf. statt Luft) ist sehr wirkungsvoll, weil dieser Stoff gerade viele Ladungsträger bereitstellen kann. Wenn genügend Kohlendioxid zur Verfügung steht, kann dieses einfach der Luft und/oder dem Brennstoff beigemischt werden. Für einen geringeren Verbrauch kann es sinnvoll sein, eine zusätzliche Zufuhr nur in der Umgebung der lonisationselektrode vorzusehen. Es können entsprechend wirksame Stoffe bei anderen Brennstoffen eingesetzt werden, wie beispielsweise geeignete Petrol-Gase (Propan, Butan, etc.).
  • Eine andere Möglichkeit ist, dass der eine Ionisation begünstigende Stoff ein unter Ultraviolettstrahlung ionisierbarer Stoff ist, der in der Umgebung der lonisationselektrode angeordnet wird. Wasserstoffflammen erzeugen starke Ultraviolettstrahlung, die zur Erzeugung von Ladungsträgern genutzt werden kann, wenn ein Stoff davon bestrahlt wird, der unter dieser Bestrahlung Elektronen freisetzt. Dieser Stoff verbraucht sich dabei nicht bzw. nur sehr langsam, und fängt irgendwann wieder Elektronen ein und steht somit dauerhaft für eine Emission von Ladungsträgern zur Verfügung. Geeignet sind insbesondere bestimmte Metalloxide, die unter den in einem Verbrennungsraum herrschenden Bedingungen stabil sind.
  • Bevorzugt wird in der Umgebung der lonisationselektrode eine Beschichtung mit Titandioxid (als ein eine Ionisation begünstigender Stoff) auf vorhandenen Komponenten oder eine zusätzliche Komponente mit Titandioxid angebracht. Bevorzugt wird (alternativ oder kumulativ) in der Umgebung der lonisationselektrode eine Beschichtung mit Aluminiumoxid (als ein eine Ionisation begünstigender Stoff) auf vorhandenen Komponenten oder eine zusätzliche Komponente mit Aluminiumoxid angebracht. Titandioxid bzw. Aluminiumoxid hat die gewünschte Eigenschaft, unter Ultraviolettstrahlung Elektronen freizusetzen, und eignet sich als Beschichtung von metallischen Bauteilen. Es kann daher in der Nähe der lonisationselektrode auf vorhandene Komponenten aufgebracht werden und/oder es kann eine zusätzliche Komponente, z. B. ein Stab oder Blech, angebracht werden.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Stoff mit niedriger Ionisationsenergie, der bei Flammentemperatur Valenzelektroden freisetzt, in der Umgebung der lonisationselektrode zuzuführen. Geeignete eine Ionisation begünstigende Stoffe dieser Art sind beispielsweise einige Salze, die bei den hier auftretenden Temperaturen in fester Form (als Kristalle) vorliegen. Sie zersetzen sich dabei (allerdings sehr langsam) unter dem Einfluss von Flammen, so dass eine Nachfüllung in gewissen Abständen oder eine kontinuierliche Zuführung erforderlich sind.
  • Insbesondere eignet sich als Stoff mit niedriger lonisationsenergie Natriumchlorid (NaCI). Dieses ist kostengünstig verfügbar und seine Kristalle können in beliebige Form gebracht und daher leicht zugeführt werden.
  • Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Stoff mit niedriger lonisationsenergie in fester Form über einen Zuführmechanismus (kontinuierlich, zumindest über einen vorgebbaren Betriebszeitraum) zugeführt wird. Der Mechanismus kann sehr einfach aufgebaut sein und beispielsweise an einer Spitze eines Stabes verbrauchtes Material durch Nachschieben mittels einer Feder ersetzen.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung bei zum Erhöhen der Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode (zum Regeln eines Gas-Luft-Gemisches und/oder Überwachen von Flammen) in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, welchem ein Gemisch aus Luft und einem Brennstoff, insbesondere einem Brenngas mit mehr als 50% Wasserstoffanteil, durch Öffnungen in einem Brennerkörper zuführbar ist, wobei zumindest in der Umgebung der lonisationselektrode Mittel vorhanden sind zum Bereitstellung oder Erhöhen eines Anteils eines eine Ionisation begünstigenden Stoffes.
  • Das hier angesprochenen Mittel kann eine Einrichtung zur bedarfsgerechten Bereitstellung des Stoffes sein. Diese Mittel können Speicher-, Förder- und/oder Abgabekomponenten umfassen. Es ist möglich, dass mindestens ein Mittel fest bzw. dauerhaft der lonisationselektrode zugeordnet angeordnet sind. Es ist möglich, dass das Mittel eine Komponente bzw. Beschichtung aus dem eine Ionisation begünstigenden Stoff ist, die insbesondere auf bzw. an der lonisationselektrode vorgesehen ist. Die Mittel sind insbesondere an der lonisationselektrode bis hin zu einer vorgebbaren Umgebungsgrenze positioniert. Die Umgebung ist insbesondere ein Bereich zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode und/oder ein (insbesondere zylindrischer) Bereich von bis zu 10 cm [Zentimeter], insbesondere bis zu 5 cm, um die lonisationselektrode.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel mindestens ein zusätzlicher Einlass für einen gasförmigen Stoff, wie insbesondere Luft oder Kohlendioxid oder ein Petrol-Gase (Propan, Butan, etc.). Sofern eine Vormischung von Luft und Brennstoff erst hinter einem Gebläse stattfindet, kann Luft vor der Mischung abgezweigt und einem Bereich in der Nähe der lonisationselektrode zugeführt werden. Dadurch erhöht sich dort der Anteil an Stickstoff und Kohlendioxid, was die Ionisation verstärkt. Das gleiche kann auch durch die Einspeisung von Kohlendioxid erreicht werden.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel Komponenten aus oder beschichtet mit einem unter Ultraviolettstrahlung ionisierbaren Stoff, insbesondere Titandioxid.
  • In einem anderen Ausführungsform ist ein Zuführmechanismus für einen festen Stoff mit niedriger Ionisierungsenergie, der bei Flammentemperatur Valenzelektroden freisetzt, vorhanden. Dies kann insbesondere Natriumchlorid (NaCl) sein.
  • Besonders bevorzugt ist der Zuführmechanismus zwischen lonisationselektrode und dem Brennerkörper angeordnet und weist ein metallisches Rohr zur Zuführung von stabförmigem Natriumchlorid-Kristall auf, wobei das Rohr zur Kühlung mit einem Gehäuse des Verbrennungsraumes wärmeleitend verbunden ist. Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, kann ein solcher Zuführmechanismus einfach aufgebaut sein und ein ständiges Nachführen von Natriumchlorid mittels Federkraft bewirken, wobei nicht den Flammen ausgesetztes Natriumchlorid von dem metallischen Rohr geschützt und dieses über eine Anbindung an ein Gehäuse gekühlt werden kann.
  • 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. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die unterschiedlichen Maßnahmen zur Steigerung der Ionisation einzeln, aber auch in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden können. Sie wirken additiv und können daher in schwierigen Fällen auch gemeinsam eingesetzt werden.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    schematisch einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen Verbrennungsraum eines Heizgerätes im Bereich einer lonisationselektrode,
    Fig. 2:
    schematisch die Anordnung eines zusätzlichen Einlasses in einen Verbrennungsraum für einen die Ionisation begünstigenden gasförmigen Stoff und
    Fig. 3:
    schematisch die Anordnung einer die Ionisation begünstigenden Komponente in der Umgebung einer lonisationselektrode.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen Verbrennungsraum 1 eines Heizgerätes, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Durch Öffnungen 3 in einem Brennerkörper 2 tritt ein Gemisch G aus Luft L und Brenngas von einem Brennerinnenraum 15 in den Verbrennungsraum 1 ein und verbrennt dort unter Bildung von Flammen 4. Die Flammen 4 ionisieren das Gemisch und/oder die daraus entstehenden ebenfalls gasförmigen Verbrennungsprodukte. Da bei der Verbrennung von Wasserstoff aber nur Wasser entsteht, und beide unter den gegebenen Bedingungen kaum ionisierbar sind, ist die Ausbeute an Ladungsträgern bei Verbrennung von Wasserstoff sehr gering, so dass eine zuverlässige Beobachtung der Flammen 4 mittels eines lonisationsmesssystems nicht ohne Weiteres möglich ist. Um trotzdem einen genügend großen lonenstrom mittels einer lonisationselektrode 5 erzeugen zu können, sind in deren Umgebung 13 (insbesondere zwischen lonisationselektrode 5 und einer Gegenelektrode, die meist durch den Brennerkörper gebildet wird, oder in 2 bis 10 cm Umkreis um die lonisationselektrode 5) Mittel zur Erhöhung der Konzentration an Ladungsträgern vorhanden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies ein Zuführmechanismus 9, 10, 11, 12 für einen Stoff, der unter dem Einfluss von Flammen 4 Ladungsträger freisetzt (im Wesentlichen durch thermische Ionisation). Besonders eignen sich dafür Salze, insbesondere Natriumchlorid (NaCI). So wird in einem Führungsrohr 9 ein Salzkristallstab 8 mittels einer Druckfeder 12 gegen einen Deckel 10 gedrückt, wobei durch mindestens ein Fenster 11 ein kleiner Teil des Salzkristallstabes 8 den Flammen 4 ausgesetzt ist. Dieser Teil verbraucht sich mit der Zeit und der restliche Salzkristallstab 8 wird dann von der Druckfeder 12 nachgeschoben. In gewissen Wartungsintervallen kann der Salzkristallstab 8 von außerhalb des Verbrennungsraumes 1 erneuert werden. Bevorzugt ist die lonisationselektrode 5 mittels einer elektrisch isolierenden Durchführung 6 an einer sogenannten Brennertür 7 befestigt. Die Brennertür 7 ist Teil eines den Verbrennungsraum umgebenden (nicht weiter dargestellten) Gehäuses. An ihr ist auch der Brennerkörper 2 befestigt, wobei durch die Zufuhr von relativ kaltem Gemisch G die Brennertür 7 auch im Betrieb auf einer viel niedrigeren Temperatur gehalten wird als im Verbrennungsraum 1 (und insbesondere in den Flammen4) herrscht. Dies kann ausgenutzt werden, um den Salzkristallstab 8, außer im Bereich des Fensters 11, ebenfalls auf niedrigerer Temperatur zu halten, was seine Lebensdauer verlängert. Dazu kann das Führungsrohr 9 (welches im Allgemeinen aus Metall besteht) durch eine wärmeleitende Anbindung 18 an die Brennertür 7 angekoppelt werden.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Da eine Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration auch durch die Erhöhung der Konzentration von Kohlendioxid und/oder Stickstoff zumindest in der Umgebung 13 einer lonisationselektrode 5 erreicht werden kann, ist ein zusätzlicher Einlass 14 für Luft L vorgesehen, so dass Gemisch G aus Luft und Brenngas durch den Brennerinnenraum 15 in den gesamten Verbrennungsraum 1 geleitet wird, zusätzliche Luft aber in die Umgebung 13 der lonisationselektrode 5 gelangt. Diese Luft kann von einem Gebläse abgezweigt oder anderweitig zugeführt werden. Statt Luft kann auch zusätzliches Kohlendioxid zugeführt werden. Dieses kann wahlweise der Luft L, dem Brenngas oder dem Gemisch G beigefügt werden. Am wenigsten Kohlendioxid wird jedoch benötigt, wenn es auch nur durch den zusätzlichen Einlass 14 zugeführt wird. Kohlendioxid kann in einem (nicht dargestellten) Druckbehälter vorrätig gehalten werden und beim Starten des Heizgerätes zudosiert werden, wodurch je nach Größe des Druckbehälters das Kohlendioxid nur in ohnehin erforderlichen Wartungsintervallen nachgefüllt werden muss. Es kann auch ein System mit Druckpatronen ähnlich dem bei der Zubereitung von kohlensäurehaltigen Getränken vorgesehen werden.
  • Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Oberfläche einer vorhandenen oder zusätzlich eingebauten Komponente 17 in der Nähe der lonisationselektrode 5 aus einem Material besteht oder mit einem solchen beschichtet ist, welches unter Ultraviolettstrahlung Elektronen freisetzt. Eine geeignete Beschichtung 16 kann beispielsweise aus Titandioxid bestehen. Da Wasserstoffflammen eine starke Ultraviolettstrahlung aussenden, werden so zusätzliche Ladungsträger frei, die eine Ionisation verstärken.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, kostengünstige lonisationsmesssysteme auch bei Verwendung von wasserstoffhaltigem Brenngas oder reinem Wasserstoff als Brenngas in einem Heizgerät zur Überwachung von Flammen und/oder zur Regelung eines Verbrennungsvorganges einzusetzen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsraum (eines Heizgerätes)
    2
    Brennerkörper
    3
    Öffnungen
    4
    Flammen
    5
    lonisationselektrode
    6
    Elektrisch isolierende Durchführung
    7
    Brennertür (Teil eines Gehäuses)
    8
    Salzkristallstab
    9
    Führungsrohr
    10
    Deckel
    11
    Fenster
    12
    Druckfeder
    13
    Umgebung
    14
    Einlass für Luft
    15
    Brennerinnenraum
    16
    Beschichtung (Titandioxid)
    17
    (zusätzliche) Komponente
    18
    Wärmeleitende Anbindung
    G
    Gemisch (Luft und Brenngas)
    L
    Luft

Claims (15)

  1. Verfahren zum Erhöhen der Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode (5) in einem Verbrennungsraum (1) eines Heizgerätes, welchem ein Gemisch (G) aus Luft (L) und einem Brennstoff durch Öffnungen (3) in einem Brennerkörper (2) zugeführt wird, wobei zumindest in der Umgebung (13) der lonisationselektrode (5) mindestens ein eine Ionisation begünstigender Stoff bereitgestellt oder der Anteil dieses Stoffes erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellung des Stoffes nach Einstellung einer niedrigen Wärmelast des Heizgerätes und/oder eines magereren Gas-Luft-Gemisches erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Heizgerät mit Brenngas mit mehr als 50% Wasserstoffanteil betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stoff Luft (L) oder Kohlendioxid ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stoff ein unter Ultraviolettstrahlung ionisierbarer Stoff ist, der in der Umgebung (13) der lonisationselektrode (5) angeordnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in der Umgebung (13) der lonisationselektrode (5) eine Beschichtung (16) mit Titandioxid oder Aluminiumoxid auf vorhandenen Komponenten oder eine zusätzliche Komponente (17) mit Titandioxid oder Aluminiumoxid angebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Stoff (8) mit niedriger Ionisationsenergie, der bei Flammentemperatur Valenzelektroden freisetzt, in der Umgebung (13) der lonisationselektrode (5) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stoff (8) mit niedriger lonisationsenergie Natriumchlorid (NaCl) ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Stoff (8) in fester Form über einen Zuführmechanismus (9, 10, 11, 12) zugeführt wird.
  10. Anordnung zum Erhöhen der Ladungsträgerkonzentration in der Nähe einer lonisationselektrode (5) in einem Verbrennungsraum (1) eines Heizgerätes, welchem ein Gemisch (G) aus Luft (L) und einem Brennstoff durch Öffnungen (3) in einem Brennerkörper (2) zuführbar ist, wobei zumindest in der Umgebung (13) der lonisationselektrode (5) Mittel zum Bereitstellen oder Erhöhen eines Anteils eines eine Ionisation begünstigenden Stoffes vorhanden sind.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Mittel mindestens einen zusätzlichen Einlass (14) für einen gasförmigen Stoff umfassen.
  12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Mittel Komponenten aus oder beschichtet mit einem unter Ultraviolettstrahlung ionisierbaren Stoff umfassen.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei der Stoff Titandioxid ist.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei ein Zuführmechanismus (12) für einen festen Stoff mit niedriger lonisierungsenergie vorhanden ist, wobei der feste Stoff bei Flammentemperatur Valenzelektroden freisetzt.
  15. Anordnung nach Anspruch 14, wobei der Zuführmechanismus zwischen lonisationselektrode (5) und dem Brennerkörper (2) angeordnet ist und ein metallisches Rohr (9) zur Zuführung von stabförmigem Natriumchlorid-Kristall (8) aufweist, wobei das Rohr (9) zur Kühlung mit einem Gehäuse (7) des Verbrennungsraumes (1) wärmeleitend verbunden ist.
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