EP4155610A1

EP4155610A1 - Verfahren zur überwachung der zündung einer flamme eines brenners

Info

Publication number: EP4155610A1
Application number: EP22195317.7A
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: 2021-09-23
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2042-09-13
Also published as: ES2993543T3; EP4155610B1; DE102021124663A1; EP4155610C0

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Zündung einer Flamme (1) eines Brenners (2) zur Verbrennung von Gas mit einer Zündeinrichtung (3) zur Erzeugung eines Zündfunkens (4), wobei ein UV-Sensor (5) verwendet wird, um UV-Emissionen des Zündfunkens (4) zu ermitteln und daran zu erkennen, ob durch den Zündfunken (4) Zündbedingungen hergestellt wurden.

Description

In gasbefeuerten Heizgeräten existiert regelmäßig das Problem, dass dann, wenn keine Zündung erfolgt, jedoch trotzdem Gas in den Brenner strömt, sich unverbranntes Gemisch aus Gas und Luft in der Brennkammer sammelt, welches dann gegebenenfalls schlagartig verbrennen bzw. verpuffen kann.
Insbesondere bei Wasserstoff als Brenngas ist dies problematisch, weil die Umgebungsbedingungen, die zur Zündung eines Gemischs aus Wasserstoff und Luft einzustellen sind, in einem sehr engen Bereich liegen müssen und kleine Abweichungen in der Gemischzusammensetzung die Zündung schon verhindern können bzw. zu störenden Geräuschen bei der Zündung führen können.
Darüber hinaus sind bei mit Wasserstoff als Brenngas betriebenen Heizgeräten die Auswirkungen einer schlagartigen Verbrennung von angesammeltem Gemisch im Brennraum bzw. von Verpuffungen besonders kritisch. Eine verbesserte Überwachung ist aus diesem Grunde insbesondere bei Heizgeräten für die Befeuerung mit Wasserstoff wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Diese Aufgabe wird gelöst mit der Erfindung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen sowie in der Beschreibung und insbesondere auch in der Figurenbeschreibung angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Fachmann die einzelnen Merkmale in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert und damit zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung gelangt.
Ein neuartiges Verfahren, ein entsprechend für das Verfahren eingerichteter Brenner, ein Steuergerät und ein Computerprogrammprodukt sollen nachfolgend beschrieben werden.
Hier beschrieben wird ein Verfahren zur Überwachung der Zündung einer Flamme eines Brenners zur Verbrennung von Gas mit einer Zündeinrichtung zur Erzeugung eines Zündfunkens, wobei ein UV-Sensor verwendet wird, um UV-Emissionen des Zündfunkens zu ermitteln und daran zu erkennen, ob durch den Zündfunken Zündbedingungen hergestellt wurden.
Der Brenner bezeichnet vorzugsweise einen Brennerkörper, aus dem das Brenngas durch eine Vielzahl von Öffnungen nach außen in einen Brennraum strömt, welcher den Brenner umgibt und in den bevorzugten Leitungen sind, die die mit dem Brenner erzeugte Wärme dann abführen. Der Brennerkörper ist vorzugsweise zylindrisch und aus einem Metallmaterial hergestellt. Die äußere (zum Brennraum hin ausgerichtete) Oberfläche des Brennerkörpers wird hier als Brenneroberfläche bezeichnet von welcher ausgehend sich die Flammen in den Brennraum hinein erstrecken.
Der Bereich, in dem das Gemisch aus dem Brenner austritt und in dem dafür die Öffnungen angeordnet sind, wird hier als Brennbereich bezeichnet. Oberhalb des Brennbereichs bilden sich die Flammen aus, wenn der Brenner gezündet hat.
Es hat sich herausgestellt, dass ein mit der Zündeinrichtung hergestellter Zündfunke typischerweise charakteristische UV-Emissionen erzeugt, die mit einem UV-Sensor zuverlässig erkannt werden können. Der UV-Sensor ist bevorzugt ein Fotodetektor, der UV-Licht (insbesondere im Bereich der Wellenlängen von 100 nm [Nanometer] bis 400 nm [Nanometer] erkennen und in ein elektrisches Signal umwandeln kann, welches es ermöglicht die Menge an UV-Licht zu erkennen, die mit dem UV-Sensor aufgefangen wurde. Der UV-Sensor ist bevorzugt an eine Elektronik und insbesondere an ein Steuergerät angeschlossen, welches die von dem UV-Sensor erzeugten elektrischen Signale auswertet und hierauf basierend das beschriebene Verfahren durchführt und beurteilt, ob Zündbedingungen vorliegen.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn zusätzlich überwacht wird, ob die Zündung der Flamme des Brenners erfolgt und dann, wenn mit dem UV-Sensor erkannt wurde, dass durch den Zündfunken geeignete Zündbedingungen hergestellt wurden, jedoch eine Zündung der Flamme unterbleibt, mindestens eine ungeeignete Umgebungsbedingung für die Zündung der Flamme diagnostiziert wird.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn die mindestens eine ungeeignete Umgebungsbedingung ein Mischungsverhältnis von Gas und Luft außerhalb eines vorgegebenen Bereichs umfasst.
Durch die beschriebene Methode zur Erkennung von Zündbedingungen (der Entstehung des Zündfunkens) mit Hilfe des UV-Sensors kann erkannt werden, ob mangelhafte Zündbedingungen oder ob mangelhafte Umgebungsbedingungen Ursache für das Nichterfolgen der Zündung sind.
Dies ist insbesondere sehr vorteilhaft, wenn das Verfahren in einem Brenner zur Verbrennung von Wasserstoff verwendet wird, denn eine teilweise ausgesetzte oder verspätete Zündung ist insbesondere bei der Verbrennung von Wasserstoff problematisch.
Eine verspätete Zündung kann insbesondere bei der Verbrennung von Wasserstoff zu schlagartigen Verbrennungen bzw. Verpuffungen führen, die häufig Geräusche, Knallgeräusche oder sogar Flammrückschläge zurück in den Brenner bewirken können.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn der UV-Sensor außerhalb eines Brennbereichs oberhalb einer Brenneroberfläche angeordnet ist und eine schräge Blickrichtung aufweist, die im Zündbereich der Zündeinrichtung auf die Brenneroberfläche ausgerichtet ist.
Durch diese Anordnung des UV-Sensors kann der UV-Sensor so angeordnet werden, dass die durch die Verbrennung erzeugten Temperaturen sich nicht so stark auf den UV-Sensor auswirken und diesen nicht so stark beeinträchtigen. Gleichzeitig ist der UV-Sensor so positioniert, dass ein Zündfunke gut erkannt werden kann.
Auch vorteilhaft ist, wenn dann, wenn keine geeigneten Zündbedingungen erkannt werden, eine Versorgung des Brenners mit Gas unterbrochen wird.
So kann sichergestellt werden, dass sich kein unverbranntes Gemisch im Brennraum sammeln kann.
Des Weiteren vorteilhaft ist, wenn die Zündeinrichtung eine Zündelektrode aufweist.
Eine Zündelektrode umfasst vorzugsweise zwei Zündkontakte, die voneinander beabstandet sind und zwischen denen sich ein Lichtbogen ausbildet, wenn eine elektrische Spannung an die Kontakte angelegt werden kann. Bevorzugt erfolgt die Bestromung der Zündkontakte der Zündelektrode immer sehr kurzzeitig bspw. über einen Zündkondensator, der sich schlagartig entlädt. So können hohe elektrische Spannungen und Ströme und damit auch starke Zündfunken erzeugt werden.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn das mit der Flamme verbrannte Gas zumindest 50%, bevorzugt sogar mindestens 97% Wasserstoff enthält.
Ein Anteil von 50% oder mehr Wasserstoff bewirkt ein Brenngas, dessen Eigenschaften schon wesentlich vom Wasserstoff dominiert werden. Ein Gas mit 97% oder mehr Wasserstoff kann annähernd wie reiner Wasserstoff betrachtet werden.
Hier auch beschrieben werden soll ein Brenner zur Verbrennung von Gas mit einer Zündeinrichtung zur Erzeugung eines Zündfunkens und mit mindestens einem UV-Sensor, wobei der Brenner zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
Außerdem beschrieben werden soll ein Steuergerät, eingerichtet zur Auswertung von Signalen von mindestens einem UV-Sensor eines Brenners gemäß dem beschriebenen Verfahren.
Darüber hinaus beschrieben werden soll ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass der beschriebene Brenner die beschriebenen Verfahrensschritte ausführt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. :
Es stellen dar:

Figur 1:: einen beschriebenen Brenner für das beschriebene Verfahren

Fig. 1 zeigt einen Brenner 2 mit einer Brenneroberfläche 7 auf welcher sich Flammen 1 der Verbrennung ausbilden. Der Brenner 2 weist einen Innenraum 13 auf, in welchen durch eine Versorgungsleitung 14 Gemisch aus Gas und Luft einströmt. Das Gemisch tritt durch eine Vielzahl von Öffnungen an der Brenneroberfläche 7 in einem Brennbereich 6 in den Brennraum 12 über und dort bilden sich die Flammen 1. Oberhalb der Brenneroberfläche 7 in dem Brennbereich ist auch eine als Zündelektrode 10 ausgeführte Zündeinrichtung 3 angeordnet, mit der in einem Zündbereich 9 im Brennbereich 6 ein Zündfunke 4 erzeugt werden kann. Der Zündbereich 9 wird mit dem UV-Sensor 5 überwacht, der bevorzugt mit einer Blickrichtung 8 auf den Zündbereich 9 ausgerichtet ist.
Bevorzugt sind der UV-Sensor 5 und die Zündeinrichtung 3 an ein Steuergerät 11 angeschlossen, welches die Zündeinrichtung 3 unter Verwertung der Signale des UV-Sensors 5 ansteuert. Bevorzugt ist das Steuergerät 11 ebenfalls an ein Versorgungsventil 15 an der Versorgungsleitung 14 angeschlossen, mit welchem die Versorgung des Brenners 2 mit Gas bzw. mit Gemisch aus Gas und Luft gesteuert werden kann.

Bezugszeichenliste

1: Flamme
2: Brenner
3: Zündeinrichtung
4: Zündfunke
5: UV-Sensor
6: Brennbereich
7: Brenneroberfläche
8: Blickrichtung
9: Zündbereich
10: Zündelektrode
11: Steuergerät
12: Brennraum
13: Innenraum
14: Versorgungsleitung
15: Versorgungsventil

Claims

Verfahren zur Überwachung der Zündung einer Flamme (1) eines Brenners (2) zur Verbrennung von Gas mit einer Zündeinrichtung (3) zur Erzeugung eines Zündfunkens (4), wobei ein UV-Sensor (5) verwendet wird, um UV-Emissionen des Zündfunkens (4) zu ermitteln und daran zu erkennen, ob durch den Zündfunken (4) Zündbedingungen hergestellt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich überwacht wird, ob die Zündung der Flamme (1) des Brenners (2) erfolgt und dann, wenn mit dem UV-Sensor (5) erkannt wurde, dass durch den Zündfunken (4) geeignete Zündbedingungen hergestellt wurden, jedoch eine Zündung der Flamme (1) unterbleibt, mindestens eine ungeeignete Umgebungsbedingung für die Zündung der Flamme (1) diagnostiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine ungeeignete Umgebungsbedingung ein Mischungsverhältnis von Gas und Luft außerhalb eines vorgegebenen Bereichs umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der UV-Sensor (5) außerhalb eines Brennbereichs (6) oberhalb einer Brenneroberfläche (7) angeordnet ist und eine schräge Blickrichtung (8) aufweist, die ein Zündbereich (9) der Zündeinrichtung (3) auf die Brenneroberfläche (7) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn keine geeigneten Zündbedingungen erkannt werden, eine Versorgung des Brenners (2) mit Gas unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündeinrichtung (3) eine Zündelektrode (10) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mit der Flamme (1) verbrannte Gas zumindest 50%, bevorzugt sogar mindestens 97% Wasserstoff enthält.
Brenner (2) zur Verbrennung von Gas mit einer Zündeinrichtung (3) zur Erzeugung eines Zündfunkens (4) und mit mindestens einem UV-Sensor (5), wobei der Brenner (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
Steuergerät (11), eingerichtet zur Auswertung von Signalen von mindestens einem UV-Sensor (5) eines Brenners (2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass der Brenner (2) des Anspruchs 8 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.