EP4148325B1

EP4148325B1 - Verfahren und anordnung zur sicherstellung des vorhandenseins von flammen in einem verbrennungsraum bei einer modulation eines heizgerätes

Info

Publication number: EP4148325B1
Application number: EP22194305.3A
Authority: EP
Inventors: Marco Hahn; Michael Paul; Tim Nettingsmeier; Bodo Oerder; Jochen Grabe; Andreas Reinert; Klaus Richter
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2026-03-18
Anticipated expiration: 2042-09-07
Also published as: EP4148325A1; DE102021123229A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Sicherstellung des Vorhandenseins von Flammen in einem Verbrennungsraum bei einer Modulation eines gasbefeuerten Heizgerätes, insbesondere eines Heizgerätes, das mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. 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. Moderne Heizgeräte werden nicht nur einfach ein- und ausgeschaltet, sondern sie können mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden, was eine gute Anpassung an verschiedene Bedarfssituationen erlaubt. Insbesondere können solche Heizgeräte während des Betriebes, also während ein Verbrennungsprozess läuft, in der Leistung verändert werden, was auch als Modulation bezeichnet wird. Eine solche Modulation erfordert für einen sicheren und umweltfreundlichen Betrieb, dass vor, während und nach einer Leistungsänderung stabile Flammen in dem Verbrennungsraum vorhanden sind. In gasbefeuerten Heizgeräten muss deshalb, in vielen Ländern sogar auf Grund gesetzlicher Vorgaben, eine Vorrichtung zur Flammerkennung (auch Flammenwächter genannt) implementiert sein, die sicherstellt, dass nicht länger als eine maximal zulässige Zeit unverbranntes Luft-Brenngas-Gemisch dem Verbrennungsraum des Heizgerätes zugeführt wird.
In Heizgeräten werden im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren für Temperatur, Licht- oder Wärme-Strahlung, Druck, Volumenstrom und dergleichen eingesetzt, um die Heizgeräte zu regeln und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten. Eine wichtige Aufgabe solcher Sensoren ist das Feststellen des Vorhandenseins von stabilen Flammen (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert).
Zünden Flammen ordnungsgemäß, so wird dies von mindestens einem Sensor im oder am Verbrennungsraum festgestellt, ebenso ein (unerwartetes) Erlöschen der Flammen. Als Sensoren kommen Ionisationsmessgeräte, Temperatursensoren oder optische Sensoren, z. B. für UV-Strahlung, zur Anwendung. Durch die Funktion eines Flammenwächters kann sichergestellt werden, dass bei Zufuhr von Brenngas auch immer eine Verbrennung stattfindet bzw. eine Abschaltung erfolgt, falls die Flammen nicht zünden oder erlöschen.
Aus Kostengründen und um die Komplexität eines Heizgerätes gering zu halten, sind solche Flammenwächter zwar sehr zuverlässig, aber meist nur einfach vorhanden, so dass eine Überprüfung ihrer Funktion oder eine Redundanz von Messsystemen nicht immer realisierbar ist. Insbesondere bei einer Modulation der Leistung eines Heizgerätes kann es aber schwierig sein, die Signale von vorhandenen Messsystemen Signale innerhalb kurzer Zeit sicher auszuwerten und korrekt in (a) "Flamme vorhanden" oder (b) "Flamme nicht vorhanden" einzuordnen. Insbesondere lonisationsmessungen sind bei kleinen Leistungen, insbesondere bei hohen Anteilen von Wasserstoff im Brenngas, nicht immer zuverlässig auswertbar. Auch thermische Sensoren können bei Änderungen der Leistung falsche bzw. zeitverzögerte Signale liefern.
EP 0 225 655 A1 beschreibt ein Verfahren zum Starten eines Brenners. Während des Starts des Brenners wird ein Luft-/Brenngasgemisch verringert, bis eine Zündung erfolgt. Bei der Verringerung der Gemischzusammensetzung wird eine Lüftergeschwindigkeit verringert. Somit entsteht ein Gemisch, das einen höheren Brenngasanteil hat, was die Entzündung einer Flamme begünstigen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere unnötige Abschaltungen wegen fälschlicher Meldung des Erlöschens der Flammen und eine kritische Zufuhr von Luft-Brenngas-Gemisch trotz eines nicht (sofort) erkannten Erlöschens der Flammen zu vermeiden, und zwar ohne zusätzlichen Aufwand an Messgeräten oder anderen Einrichtungen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und ein Heizgerät 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.
Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren bei zum Betreiben eines Heizgerätes mit einem Verbrennungsraum und einer Zündeinrichtung und zum Sicherstellen des Vorhandenseins von Flammen in dem Verbrennungsraum bei einer Modulation des Heizgerätes, umfassend die folgenden Schritte:

Modulieren der Leistung des Heizgerätes durch eine Veränderung von Luft- und/oder Brenngaszufuhr;
Aktivieren der Zündeinrichtung im Verbrennungsraum während einer Modulation, umfassend eine Leistungsreduzierung.

Jedes Heizgerät hat eine Zündeinrichtung zur Zündung der Verbrennung beim Start eines Verbrennungsprozesses. Sie wird bisher im Allgemeinen nur zu diesem Zweck eingesetzt, wobei es sich typischerweise um eine Zündelektrode handelt, die von einer Zündelektronik mit Hochspannung versorgt wird und einen Lichtbogen erzeugen kann. Durch Aktivieren der Zündeinrichtung während einer Modulation der Leistung des Heizgerätes, also einer Veränderung von Luft- und/oder Brenngaszufuhr, würde selbst ein kurzes Erlöschen der Flammen kein Problem darstellen, weil die Zündeinrichtung das dann zugeführte Luft-Brenngasgemisch sofort wieder zünden würde (sofern nicht ein nicht zündfähiges Gemisch zugeführt wird, was aber in der Praxis bei einer Modulation kaum vorkommen kann). Eine (sofortige) Abschaltung ist nicht erforderlich, selbst wenn das Erlöschen der Flammen von einem Flammenwächter erkannt werden würde. Umgekehrt ist auch keine (sofortige) Abschaltung erforderlich, falls ein Flammenwächter (kurzzeitig) irrtümlich das Erlöschen der Flammen meldet, da ein Erlöschen mit Wiederzündung kein Problem darstellt. Auch vom Flammenwächter unbemerktes Erlöschen hat daher keine Folgen für die Sicherheit des Betriebes. Dadurch, dass hier Zündbedingungen hergestellt werden, steht die zulässige Zeit für die Flammenerkennung zur Verfügung, die länger als die zulässige Zeit für das Erkennen eines Flammenverlustes ist. Spätestens nach Ablauf der maximal zulässigen Zeit für das Zuführen von unverbranntem Luft-Brenngas-Gemisch muss wieder ein zuverlässiges Signal des Flammenwächters vorliegen.
Zur Vermeidung von unnötigen Maßnahmen wird die Zündeinrichtung bevorzugt nur bei einer Modulation aktiviert, bei der mit fehlerhaften Signalen eines Flammenwächters zu rechnen ist. Dies hängt von der Art der Flammenwächter ab und von den Leistungsbereichen, zwischen denen moduliert wird. In aller Regel sind kleinere Leistungen und schnelle Leistungsänderungen und Leistungsreduzierungen kritischer als z. B. langsame Erhöhungen bei hoher Last. Insbesondere können thermische Flammenwächter eine gewollte Leistungsreduzierung irrtümlich als ungewolltes Erlöschen der Flammen interpretieren, so dass die Erfindung gerade für solche Modulationen große Vorteile bringt.
Vorzugsweise wird die Zündeinrichtung mindestens von Beginn der Modulation bis zu deren Ende aktiviert. Dann können gerade Vorgänge zu Beginn und am Ende einer Leistungsänderung nicht zu einem Erlöschen der Flammen führen, ohne dass eine Wiederzündung erfolgt.
Falls eine längere ununterbrochene Aktivierung der Zündeinrichtung nicht gewünscht oder für diese schädlich ist, kann die Zündeinrichtung in einer besonderen Ausführungsform während der Modulation in Intervallen eingeschaltet werden, wobei die Zeit zwischen zwei Intervallen kleiner ist als eine maximal zulässige Zeit für das Zuströmen von Luft-Brennstoff-Gemisch ohne Flammen. Auf diese Weise können Überlastungen, übermäßiger Verschleiß oder Schäden an der Zündeinrichtung vermieden werden.
Besonders bevorzugt überprüft eine Auswerteelektronik während der Modulation, ob die Zufuhr von Brenngas und Luft mindestens eine Bedingung, insbesondere alle Bedingungen, zur Erzeugung eines zündfähigen Gemisches im Verbrennungsraum erfüllt. Bei typischen Heizgeräten stehen die Stellung eines Brenngasventils und die Drehzahl eines Gebläses immer in einer Steuer- und Regelelektronik zur Verfügung, oft auch weitere Parameter wie Temperatur des Luft-Brenngasgemisches, Feuchtegehalt der Luft etc., so dass eine Auswertung dieser Daten ein verlässliches Ergebnis liefert, ob ein zugeführtes Luft-Brenngas-Gemisch zündfähig ist. Ist dies der Fall, so muss bei aktivierter Zündeinrichtung nicht mit einem Erlöschen der Flammen ohne sofortige Wiederzündung (innerhalb der maximal zulässigen Zeit ohne Flammen) gerechnet werden.
Bei Implementierung des Verfahrens wie bisher beschrieben können während der Modulation die Signale eines Flammenwächters (kurzzeitig) ignoriert werden (jedenfalls für die Auslösung von Maßnahmen), wodurch unnötige Abschaltungen vermieden werden.
Bevorzugte Anwendung findet die Erfindung, wenn als Flammenwächter während des Betriebs des Heizgerätes ein Ionisationsmessgerät und/oder mindestens ein thermischer Sensor eingesetzt werden, deren Signale während einer Modulation (kurzzeitig) ignoriert werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Brenngas mit hohem Wasserstoffanteil von Vorteil. Offensichtlich ist, dass diese Signale nicht dauerhaft bzw. für immer ignoriert werden können bzw. sollen. Vielmehr handelt es sich hierbei um einen kurzzeitigen Prozessabschnitt, der für einen Überprüfungsvorgang benötigt wird. Diese Sensordaten werden nach Beginn dieses Prozessabschnitts insbesondere spätestens dann wieder berücksichtigt, wenn die maximal zulässige Zeit des Betriebes des Heizgerätes mit Gaszufuhr aber ohne Flammen erreicht ist.
Folglich ist vorteilhaft, dass das Heizgerät mit Wasserstoff als Brenngas oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe trägt auch ein Heizgerät bei, umfassend eine Anordnung zum Sicherstellen des Vorhandenseins von Flammen in einem Verbrennungsraum bei einer Modulation eines Heizgerätes, wobei das Heizgerät eine Zündeinrichtung und eine Steuer- und Regeleinheit sowie eine Auswerteeinheit aufweist, die eingerichtet sind, während einer Modulation des Heizgerätes die Zündeinrichtung zu aktivieren.
Bevorzugt ist die Auswerteeinheit eingerichtet zu erkennen, ob dem Verbrennungsraum ein zündfähiges Gemisch zugeführt wird. Ist dies der Fall und ist die Zündeinrichtung aktiviert, besteht die maximal zulässige Zeit ohne Flammen, um eine zuverlässige Aussage des Flammenwächters bereitzustellen. Daher können Signale von Flammenwächtern für die Zeit der Modulation zwischenzeitlich ignoriert bzw. verzögert ausgewertet werden, ohne dass daraus ein erhöhtes Risiko entsteht. Auch unnötige Abschaltungen werden vermieden.
Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass das beschriebene Heizgerät das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswerteelektronik benötigt z. B. ein Programm und Daten, um die gewünschte Funktion als Ersatz eines Flammenwächters bei einer Modulation durchführen zu können, 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 Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1:: ein Heizgerät mit Gebläse und Steuer- und Regeleinheit und
Fig. 2:: ein Diagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Abläufe bei einer Modulation der Leistung eines Heizgerätes.

Fig. 1 zeigt schematisch ein insbesondere für den Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas oder mit wasserstoffhaltigem Brenngas ausgelegtes Heizgerät 1. Sie ist aber auch für andere Brenngase anwendbar. Das Heizgerät 1 weist ein Gebläse 2 auf, welches einen Brenner 3 mit Luft von einer Luftzufuhr 4 versorgt. Über ein Brenngasventil 5 wird ein Brenngas aus einer Brenngasversorgung 6 der Luft beigemischt. Eine Steuer- und Regeleinheit 7 steht über Datenleitungen 13 mit dem Gebläse 2 und dem Brenngasventil 5 in Verbindung, so dass ein für eine Zündung und/oder einen Dauerbetrieb geeignetes Gemisch erzeugt und die dafür vorgenommenen Einstellungen (z. B. Drehzahl des Gebläses 2 und Öffnung des Brenngasventils 5) rückgemeldet werden können. Bei der Verbrennung dieses Gemisches in einem Verbrennungsraum 15 entstehen Flammen 16, deren Wirkung (und damit deren Vorhandensein) anhand von mindestens einem Sensor 10 an einer Messstelle 19 beobachtet wird. Der Sensor 10 dient als Flammenwächter und kann zur Regelung des Luft-Brennstoffverhältnisses genutzt werden. Es kann ein Ionisationsmessgerät, ein UV-Sensor, ein Temperatursensor oder ein anderes Messsystem verwendet werden, je nach den Anforderungen des jeweiligen Heizgerätes 1. Der Sensor 10 ist ebenfalls über eine Datenleitung 13 mit der Steuer- und Regeleinheit 7 verbunden. Der Verbrennungsraum 15 ist von einem Gehäuse 8 umgeben, in dem sich hier nur angedeutete Wärmetauscherflächen befinden. Entstehende Verbrennungsgase werden über eine Abgasanlage 9 an die Umgebung abgeleitet. Zum Zünden der Verbrennung ist im Verbrennungsraum 15 eine Zündelektrode 17 vorhanden, die mittels einer Zündleitung 14 mit einer Zündsteuerung 12 verbunden ist. Eine Anzeige 18 (die bei einer Fernwartung auch an anderer Stelle sein kann) liefert Informationen über den Zustand des Heizgerätes 1. Bei der vorliegenden Erfindung wertet eine Auswerteelektronik 11 (die in die Steuer- und Regeleinheit 7 integriert sein kann) z. B. die Drehzahl des Gebläses 2 oder einen damit korrelierenden Parameter und eine Stellung des Brenngasventils 5 aus, um zu prüfen, ob dem Verbrennungsraum 15 ein zündfähiges Gemisch zugeführt wird.
Es hat sich nämlich gezeigt, wie in Fig. 2 veranschaulicht wird, dass es sinnvoll sein kann, zumindest bei kritischen Modulationen der Leistung eines Heizgerätes 1, insbesondere bei Reduzierung der Leistung in einem schon niedrigen Leistungsbereich, während der Modulation die Zündeinrichtung 12, 14, 17 zu aktivieren. Dadurch würde selbst bei einem Erlöschen der Flammen 16, z. B. auf Grund einer Unregelmäßigkeit bei der Zufuhr von Luft-Brennstoff-Gemisch, sehr schnell wieder eine Zündung erfolgen, so dass keine Warnung oder Abschaltung erforderlich ist, ja sogar die Signale eines als Flammenwächter dienenden Sensors 10 kurzzeitig ignoriert bzw. zeitverzögert ausgewertet werden könnten. Das Diagramm zeigt beispielhaft für die Leistung des Heizgerätes 1 die Drehzahl n des Gebläses 2 (Y-Achse) in Abhängigkeit von der Zeit t (x-Achse) vor, während und nach einer Modulation. Außerdem ist die Aktivität z der Zündeinrichtung 12, 14, 17 eingezeichnet, wobei erkennbar ist, dass die Zündeinrichtung 12, 14, 17 vor und nach der Modulation nicht aktiv ist, wohl aber während der Modulation.
Die vorliegende Erfindung erhöht die Sicherheit und Verfügbarkeit eines Heizgerätes 1 bei Modulationen der Leistung, vermeidet dabei unnötige Abschaltungen wegen fehlerhafter bzw. zeitverzögerter Signale eines Flammenwächters und bewirkt eine sichere und schnelle Wiederzündung bei einem Erlöschen der Flammen während des Modulationsvorganges.

Bezugszeichenliste

1: Heizgerät
2: Gebläse
3: Brenner
4: Luftzufuhr
5: Brenngasventil
6: Brenngasversorgung
7: Steuer- und Regeleinheit
8: Gehäuse
9: Abgasanlage
10: Sensor (Flammenwächter)
11: Auswerteelektronik
12: Zündsteuerung
13: Datenleitungen
14: Zündleitung
15: Verbrennungsraum
16: Flammen
17: Zündelektrode
18: Anzeige
19: Messstelle

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1) mit einem Verbrennungsraum (15) und einer Zündeinrichtung (12, 14, 17) und zum Sicherstellen des Vorhandenseins von Flammen (16) in dem Verbrennungsraum (15) bei einer Modulation des Heizgerätes (1), umfassend die folgenden Schritte:
- Modulieren der Leistung des Heizgerätes durch eine Veränderung von Luft- und/oder Brenngaszufuhr;

- Aktivieren der Zündeinrichtung (12, 14, 17) im Verbrennungsraum (15) während einer Modulation, umfassend eine Leistungsreduzierung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zündeinrichtung (12, 14, 17) von Beginn der Modulation bis zu deren Ende aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zündeinrichtung (12, 14, 17) während der Modulation in Intervallen eingeschaltet wird, wobei die Zeit zwischen zwei Intervallen kleiner ist als eine maximal zulässige Zeit für das Zuströmen von Luft-Brennstoff-Gemisch ohne Flammen (16).
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine Auswerteelektronik (11) während der Modulation überprüft, ob die Zufuhr von Brenngas und Luft mindestens eine Bedingung zur Erzeugung eines zündfähigen Gemisches im Verbrennungsraum (15) erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Modulation die Signale eines Flammenwächters ignoriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Flammenwächter (10) während des Betriebs des Heizgerätes (1) ein Ionisationsmessgerät und/oder mindestens ein thermischer Sensor eingesetzt werden, deren Signale während einer Modulation ignoriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündeinrichtung (12, 14, 17) nur bei einer Modulation aktiviert wird, bei der mit fehlerhaften und/oder zeitverzögerten Signalen eines Flammenwächters (10) zu rechnen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizgerät (1) mit Wasserstoff als Brenngas oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben wird.
Heizgerät (1) mit einer Anordnung zum Sicherstellen des Vorhandenseins von Flammen (16) in einem Verbrennungsraum (15) bei einer Modulation des Heizgerätes (1), wobei das Heizgerät (1) eine Zündeinrichtung (12, 14, 17), einen Verbrennungsraum (15), eine Steuer- und Regeleinheit (7) sowie eine Auswerteeinheit (11) aufweist, die eingerichtet sind, während einer Modulation des Heizgerätes (1) die Zündeinrichtung (12, 14, 17) gemäß eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu aktivieren.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (11) eingerichtet ist, zu erkennen, ob dem Verbrennungsraum (15) ein zündfähiges Gemisch zugeführt wird.
Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass das Heizgerät (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.