EP4174376B1 - Method for operating a heating device, computer program, storage medium, control and control device, heating device and use of a detected ionization current and a detected temperature - Google Patents

Method for operating a heating device, computer program, storage medium, control and control device, heating device and use of a detected ionization current and a detected temperature Download PDF

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EP4174376B1
EP4174376B1 EP22201484.7A EP22201484A EP4174376B1 EP 4174376 B1 EP4174376 B1 EP 4174376B1 EP 22201484 A EP22201484 A EP 22201484A EP 4174376 B1 EP4174376 B1 EP 4174376B1
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EP
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heating device
flame
heater
power
detected
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Jochen Grabe
Andreas Reinert
Klaus Richter
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—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
    • F23N5/123—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 using electronic means
    • 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
    • F23N5/14—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermo-sensitive resistors
    • F23N5/143—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermo-sensitive resistors 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

Definitions

  • Gas-fired heaters usually have a flame detection device that prevents unburned fuel gas-air mixture from escaping into the heater's combustion chamber.
  • the flame detection allows the gas supply to the heater to be interrupted as soon as the flame detection device can no longer detect a flame, thus enabling the heater to be operated particularly safely.
  • flame detection is often used, which is based on a measured ionization current of the heater's flame. This determines the charge carriers released during combustion. Such a method enables safe and reliable flame detection.
  • FR1380198 reveals a gas burner. Flame detection is carried out by simultaneously determining the flame temperature and the ionization current. The ionization current is used to determine the length of the flame.
  • the object of the invention to propose a method for flame monitoring of a heating device which at least partially overcomes the problems of the prior art described.
  • the method is intended to propose a particularly safe and robust possibility for monitoring a heating device which is designed to burn pure hydrogen or a fuel gas with a hydrogen content of more than 90 vol.% [volume percent], in particular more than 97 vol.%.
  • a device for a heating device suitable for carrying out a method proposed here is to be specified, the complexity of which is not or only insignificantly increased and/or can carry out the method with simple means.
  • the method is used to operate a heating device, in particular to ensure reliable flame detection in the burner of the heating device, in particular in a hydrogen-powered heater.
  • the method can also be used to control the combustion process, in particular to control the proportions of fuel gas and combustion air of the mass flow of combustion mixture to be supplied to the burner of the heater.
  • the heating device is in particular a gas heating device which is designed to burn a gaseous fuel, such as natural gas or in particular hydrogen, with the supply of ambient air in order to generate heat which can be provided, for example, to a heating circuit or a hot water supply.
  • the heating device generally has at least one burner and a conveying device which conveys a mixture of (preferably gaseous) fuel and combustion air through a mixture channel of the heating device to the burner. Exhaust gases resulting from the combustion can then be fed to an exhaust system through an exhaust pipe of the heating device.
  • a threshold power is understood here to be a predetermined value of the heater's power, which can be defined as a limit value and stored in the system, for example.
  • the threshold power of the heater can be determined in particular by the fact that above the threshold power the flame of the heater (particularly when burning hydrogen) releases a predetermined amount of free charge carriers, so that flame detection based on detection of the ionization current is reliably possible.
  • the threshold power of the heater can be (indirectly) specified by one or more operating parameters of the heater, which allow a conclusion to be drawn about the implemented power of the heater.
  • Suitable operating parameters can be, for example, a (consumed) power and/or a speed of the conveying device (e.g. a fan) that supplies a mixture of fuel and combustion air to the burner of the heater.
  • a suitable operating parameter can (also) be a volume flow or mass flow of combustion air or of fuel or of the mixture of fuel and combustion air.
  • a value for the threshold power of the heater can be stored in a memory device of the heater, in particular in a control and regulating device of the heater.
  • At least one temperature of the heater flame is recorded for flame monitoring.
  • a signal from at least one temperature sensor arranged in or in the immediate vicinity of the heater flame can be recorded.
  • any temperature sensor can be used to measure the temperature of the heater's flame.
  • a resistance-based temperature sensor such as a thermistor or PTC thermistor, a platinum or silicon measuring resistor, or even a semiconductor temperature sensor can be used.
  • the threshold power of the heater represents a limit that determines the change of a decisive parameter for the decision on flame detection.
  • the concrete value of the threshold power itself can be assigned to one or the other method. It is also possible that, depending on the course of the power from the high-power range to the low-power range across the threshold power or vice versa, different predetermined values or predetermined tolerance ranges are provided according to which the change is carried out. It is possible that the ionization current and the temperature are measured or even monitored in one or both ranges, but then one of the two values is to be regarded as "leading" or "decision-relevant" for the evaluation of the flame situation.
  • the temperature sensor can be an ignition device, in particular a hot surface igniter of the heater.
  • an ignition device in particular a hot surface igniter of the heater.
  • a power change rate of the heater when the heater is operated below the threshold power, can be set in such a way that a change in the heater's power (for example due to a lower heat requirement) can be distinguished from the flame going out based on the detected temperature.
  • the power change rate is often reduced for this purpose, with a reduced power change rate being set particularly when approaching an operating point with a lower heater power, because an increase in power and an associated increase in the detected temperature of the flame cannot be confused with a loss of flame.
  • a thermal mass of a temperature sensor for detecting a temperature for flame detection below the threshold power can be compensated in an advantageous manner, which can lead to a delayed reaction of the temperature signal of the sensor.
  • a suitable rate of change in power can be stored in a data storage device of a control device which is set up to support or even carry out a method presented here.
  • a reduced rate of change in power can result in a new operating point of the heater, for example based on a lower heat requirement, being approached at a lower speed, thus making it impossible to operate the A heater with reduced performance can be clearly distinguished from a loss of flame by means of a temperature measured in or in the immediate vicinity of the flame.
  • an electrode for measuring the ionization current can be an ignition device (ignition electrode) of the heater.
  • ignition electrode ignition electrode
  • the complexity of a heater is not increased in this way, and no additional components are necessary to carry out a method proposed here.
  • a computer program is also proposed which is designed to (at least partially) carry out a method presented here.
  • this relates in particular to a computer program (product) comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out a method proposed here.
  • a machine-readable storage medium is also proposed on which the computer program is stored.
  • the machine-readable storage medium is usually a computer-readable data storage device.
  • a control device for a heating device is also proposed, set up to carry out a method proposed here.
  • the control device can for example have a processor for this purpose and/or have this.
  • the processor can for example carry out the method stored in a (data) memory (of the control device).
  • Data such as a threshold power, for example, can also be stored in the memory of the control device in an advantageous manner for carrying out a method presented here.
  • a heating device having a control and regulating device as proposed here.
  • the heating device is in particular a gas heating device, in particular a hydrogen-operated gas heating device.
  • the gas heating device can have a burner and a conveying device with which a mixture of combustion gas (hydrogen) and combustion air can be supplied to the burner.
  • the use of either a detected ionization current or a detected temperature of a flame of a heater is proposed for flame detection in a heater depending on its current output or for operating a heater.
  • the ionization current can be determined by an electrode arranged in the area of the flame, in particular an ignition electrode of the heater.
  • the detected ionization current and the detected temperature are used in particular for flame monitoring during operation of the heater.
  • the method, the heater and the use at least contribute to enabling reliable flame detection even in a hydrogen-powered heater across the entire performance spectrum. In this way, problems with flame detection based on detecting the UV radiation emitted by the flame, for example due to soiling (sooting) of the UV sensor, can be advantageously avoided.
  • the invention can be implemented very easily and in particular without structural changes to a heating device.
  • the invention when detecting the Ionization current of the heater above the threshold power via an ignition device of the heater, only very small or no structural changes to a heater are necessary in order to carry out a method proposed here.
  • Fig.1 shows an example and schematically a burner 2 of a heating device 1 proposed here.
  • the burner 2 can generate a flame 3.
  • An ionization electrode 5 is arranged in the area of the flame 3.
  • a temperature sensor 4 is also arranged in the area of the flame 3 or in the immediate vicinity of the flame 3 to detect a temperature of the flame 3.
  • Both the ionization electrode 5 and the temperature sensor 4 can be connected to a control and control unit 8 of the heater 1, on which a method proposed here is carried out.
  • a mixture of combustion gas and combustion air can be supplied to the burner 2 of the heater 1 via a mixture channel 14 and a conveyor device 13.
  • the conveyor device 13 can also be electrically connected to the regulating and control unit 8.
  • a power threshold value 9 can be stored in a memory of the control device 8.
  • the power threshold value 9 can be specified, for example, as a defined speed of the conveyor device 13.
  • the regulating and control device 8 can carry out flame detection based on a temperature detected by means of the temperature sensor 4 when the power of the heater is below (less than) the power threshold value 9 (i.e. a speed of the conveyor device 13 is below a threshold speed).
  • the regulating and control device 8 can carry out flame detection based on an ionization current determined by means of the ionization electrode 5.
  • Fig.2 shows an example and schematically a parameter curve that can occur when carrying out a procedure presented here.
  • the abscissa of the Figure 2 The diagram shown shows the time course t.
  • the ordinate of the diagram in Figure 2 represents the current performance of the heater 1, for example represented by the speed of the conveyor 13.
  • the threshold power 9 divides a power range of ionization current-based flame detection 6 from a power range of temperature-based flame detection 7.
  • the heater is operated at nominal power 10, whereby the nominal power 10 is above the threshold power 9 and thus the heater works with ionization current-based flame detection.
  • the power P of the heater 1 should be reduced.
  • the power P of the heater 1 is reduced from the nominal power 10 to the threshold power 9 with a power change rate 11.
  • the power P of the heater 1 is reduced with a lower power change rate 12. The (intended) reduction in the power P of the heater 1 can thus be advantageously distinguished from a loss of flame based on the temperature determined by means of the temperature sensor 4.

Description

Gasbefeuerte Heizgeräte weisen in der Regel eine Vorrichtung zur Flammenerkennung auf, die verhindert, dass unverbranntes Brenngas-Luftgemisch im Brennraum des Heizgerätes austreten kann. Die Flammenerkennung ermöglicht ein Unterbrechen der Gaszufuhr des Heizgerätes, sobald die Vorrichtung zur Flammenerkennung keine Flamme mehr erkennen kann und kann so ein besonders sicheres Betreiben des Heizgerätes ermöglichen.Gas-fired heaters usually have a flame detection device that prevents unburned fuel gas-air mixture from escaping into the heater's combustion chamber. The flame detection allows the gas supply to the heater to be interrupted as soon as the flame detection device can no longer detect a flame, thus enabling the heater to be operated particularly safely.

Bei Heizgeräten eingerichtet zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen kommt häufig eine Flammenerkennung zum Einsatz, welche auf einem gemessenen lonisationsstrom der Flamme des Heizgerätes basiert. Dabei werden die bei der Verbrennung freigesetzten Ladungsträger bestimmt. Eine solche Methode ermöglicht eine sichere und zuverlässige Flammenerkennung. FR 1380198 offenbart einen Gasbrenner. Die Flammerkennung wird durch gleichzeitige Ermittlung der Flammtemperatur und des Ionisationsstroms durchgeführt. Der lonisationsstrom dient dabei der Ermittlung der Länge der Flamme.In heaters designed to burn hydrocarbons, flame detection is often used, which is based on a measured ionization current of the heater's flame. This determines the charge carriers released during combustion. Such a method enables safe and reliable flame detection. FR1380198 reveals a gas burner. Flame detection is carried out by simultaneously determining the flame temperature and the ionization current. The ionization current is used to determine the length of the flame.

Es wurde herausgefunden, dass bei wasserstoffbetriebenen Heizgeräten eine Flammenerkennung basierend auf der Erfassung eines lonisationsstromes der Flamme, insbesondere bei geringer Leistung des Heizgerätes, nicht problemlos möglich ist, weil gegebenenfalls eine Wasserstofflamme erheblich weniger Ladungsträger freisetzt. Daher kann bei wasserstoffbetriebenen Heizgeräten eine Flammenerkennung basierend auf UV-Licht zum Einsatz kommen, wobei ein Sensor für ultraviolettes Licht auf die Flamme gerichtet ist. Bei Ausfall oder einer Verschmutzung des UV-Sensors, beispielsweise aufgrund von Ablagerung von Verbrennungsprodukten, kann allerdings dann eine Flammenerkennung nicht zuverlässig gewährleistet werden, wodurch der Betrieb des Heizgerätes unterbrochen werden müsste.It has been found that in hydrogen-powered heaters, flame detection based on the detection of an ionization current of the flame is not easily possible, especially when the heater is at low power, because a hydrogen flame may release significantly fewer charge carriers. Therefore, flame detection based on UV light can be used in hydrogen-powered heaters, with an ultraviolet light sensor directed at the flame. However, if the UV sensor fails or becomes dirty, for example due to deposits of combustion products, flame detection cannot be reliably guaranteed, which means that the operation of the heater would have to be interrupted.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes vorzuschlagen, das die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll das Verfahren eine besonders sichere und robuste Möglichkeit zur Überwachung eines Heizgerätes vorschlagen, das zur Verbrennung von reinem Wasserstoff oder einem Brenngas mit einem Wasserstoffanteil von mehr als 90 Vol.-% [Volumenprozent], insbesondere mehr als 97 Vol.-%, eingerichtet ist.Based on this, it is the object of the invention to propose a method for flame monitoring of a heating device which at least partially overcomes the problems of the prior art described. In particular, the method is intended to propose a particularly safe and robust possibility for monitoring a heating device which is designed to burn pure hydrogen or a fuel gas with a hydrogen content of more than 90 vol.% [volume percent], in particular more than 97 vol.%.

Zudem soll eine Einrichtung eines Heizgerätes geeignet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens angegeben werden, dessen Komplexität nicht oder nur unwesentlich erhöht ist und/oder das Verfahren mit einfachen Mitteln durchführen kann.In addition, a device for a heating device suitable for carrying out a method proposed here is to be specified, the complexity of which is not or only insignificantly increased and/or can carry out the method with simple means.

Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.These objects are achieved by the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments of the solution proposed here are specified in the independent patent claims. It is pointed out that the features listed in the dependent patent claims can be combined with one another in any technologically reasonable manner and define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the patent claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.

Hierzu trägt Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes bei, wobei bei einer Leistung

  • unterhalb einer Schwellleistung eine Flammenerkennung basierend auf einem erfassten lonisationsstrom der Flamme, und
  • ab der Schwellleistung eine Flammenerkennung basierend auf einer Temperatur der Flamme des Heizgerätes erfolgt.
This is achieved by a method for operating a heating device, whereby at a power
  • below a threshold power, flame detection based on a detected ionization current of the flame, and
  • From the threshold power onwards, flame detection is carried out based on the temperature of the heater's flame.

Das Verfahren dient zum Betreiben eines Heizgerätes, insbesondere zur Gewährleistung einer sicheren Flammenerkennung beim Brenner des Heizgerätes, insbesondere bei einem wasserstoffbetriebenen Heizgerät. Das Verfahren kann auch für eine Regelung des Verbrennungsprozesses genutzt werden, insbesondere zur Regelung der Anteile Brenngas und Verbrennungsluft des dem Brenner des Heizgerätes zuzuführenden Massestromes Verbrennungsgemisch.The method is used to operate a heating device, in particular to ensure reliable flame detection in the burner of the heating device, in particular in a hydrogen-powered heater. The method can also be used to control the combustion process, in particular to control the proportions of fuel gas and combustion air of the mass flow of combustion mixture to be supplied to the burner of the heater.

Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, welches dazu eingerichtet ist, einen gasförmigen Brennstoff, wie Erdgas oder insbesondere Wasserstoff, unter Zufuhr von Umgebungsluft zu verbrennen, um damit Wärme zu erzeugen, die beispielsweise einem Heizkreislauf oder einer Warmwasserversorgung bereitgestellt werden kann. Das Heizgerät weist in der Regel zumindest einen Brenner und eine Fördereinrichtung auf, die ein Gemisch von (bevorzugt gasförmigen) Brennstoff und Verbrennungsluft durch einen Gemischkanal des Heizgerätes zum Brenner fördert. Im Anschluss können durch die Verbrennung entstehende Abgase durch ein Abgasrohr des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden.The heating device is in particular a gas heating device which is designed to burn a gaseous fuel, such as natural gas or in particular hydrogen, with the supply of ambient air in order to generate heat which can be provided, for example, to a heating circuit or a hot water supply. The heating device generally has at least one burner and a conveying device which conveys a mixture of (preferably gaseous) fuel and combustion air through a mixture channel of the heating device to the burner. Exhaust gases resulting from the combustion can then be fed to an exhaust system through an exhaust pipe of the heating device.

Unter einer Schwellleistung wird hier ein vorgegebener Wert einer Leistung des Heizgerätes verstanden, der z.B. als Grenzwert definiert und im System hinterlegt sein kann. Die Schwellleistung des Heizgerätes kann insbesondere dadurch festgelegt werden bzw. sein, dass oberhalb der Schwellleistung die Flamme des Heizgerätes (insbesondere bei der Verbrennung von Wasserstoff) ein vorgegebenes Maß freier Ladungsträger freisetzt, so dass eine Flammenerkennung basierend auf einer Erfassung des Ionisationsstroms sicher möglich ist.A threshold power is understood here to be a predetermined value of the heater's power, which can be defined as a limit value and stored in the system, for example. The threshold power of the heater can be determined in particular by the fact that above the threshold power the flame of the heater (particularly when burning hydrogen) releases a predetermined amount of free charge carriers, so that flame detection based on detection of the ionization current is reliably possible.

Die Schwellleistung des Heizgerätes kann (mittelbar) durch einen oder mehrere Betriebsparameter des Heizgerätes vorgegeben sein, die einen Rückschluss auf die umgesetzte Leistung des Heizgerätes zulassen. Geeignete Betriebsparameter können beispielsweise eine (aufgenommene) Leistung und/oder eine Drehzahl der Fördereinrichtung (z.B. eines Gebläses), die ein Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft dem Brenner des Heizgerätes zuführt. Ein geeigneter Betriebsparameter kann (auch) ein Volumenstrom oder Massenstrom von Verbrennungsluft oder von Brennstoff oder von dem Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft sein. Einen Wert für die Schwellleistung des Heizgerätes kann auf einer Speichereinrichtung des Heizgerätes, insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät des Heizgerätes hinterlegt sein.The threshold power of the heater can be (indirectly) specified by one or more operating parameters of the heater, which allow a conclusion to be drawn about the implemented power of the heater. Suitable operating parameters can be, for example, a (consumed) power and/or a speed of the conveying device (e.g. a fan) that supplies a mixture of fuel and combustion air to the burner of the heater. A suitable operating parameter can (also) be a volume flow or mass flow of combustion air or of fuel or of the mixture of fuel and combustion air. A value for the threshold power of the heater can be stored in a memory device of the heater, in particular in a control and regulating device of the heater.

Unterhalb der Schwellleistung des Heizgerätes erfolgt ein Erfassen mindestens einer Temperatur der Flamme des Heizgerätes zur Flammenüberwachung. Hierzu kann ein Signal mindestens eines in oder in unmittelbarer Nähe der Flamme des Heizgerätes angeordneten Temperatursensors erfasst werden.Below the threshold power of the heater, at least one temperature of the heater flame is recorded for flame monitoring. For this purpose, a signal from at least one temperature sensor arranged in or in the immediate vicinity of the heater flame can be recorded.

Grundsätzlich kann zum Erfassen der Temperatur der Flamme des Heizgerätes ein beliebiger Temperatursensor eingesetzt werden. Insbesondere kann ein widerstandsbasierter Temperatursensor, beispielsweise ein Heißleiter oder Kaltleiter, ein Platin- oder Silizium-Messwiderstand, oder auch ein Halbleiter-Temperatursensor genutzt werden.In principle, any temperature sensor can be used to measure the temperature of the heater's flame. In particular, a resistance-based temperature sensor, such as a thermistor or PTC thermistor, a platinum or silicon measuring resistor, or even a semiconductor temperature sensor can be used.

Die Schwellleistung des Heizgerätes stellt insoweit eine Grenze dar, die den Wechsel eines entscheidungserheblichen Parameters für die Entscheidung über die Flammenerkennung vorgibt. Der konkrete Wert der Schwelleistung selbst kann der einen oder anderen Methode zugeordnet werden. Es ist auch möglich, dass je nach Verlauf der Leistung vom Hochleistungsbereich in den Niederleistungsbereich über die Schwellleistung hinweg bzw. umgekehrt, verschiedene vorgegebene Werte bzw. vorgegebene Toleranzbereiche vorgesehen sind, nach denen der Wechsel ausgeführt wird. Es ist möglich, dass in einem oder beiden Bereichen gleichwohl der lonisationsstrom und die Temperatur gemessen oder sogar überwacht werden, allerdings ist dann eine der beiden Größen als "führende" bzw. "entscheidungserhebliche" anzusehen für die Bewertung der Flammensituation.The threshold power of the heater represents a limit that determines the change of a decisive parameter for the decision on flame detection. The concrete value of the threshold power itself can be assigned to one or the other method. It is also possible that, depending on the course of the power from the high-power range to the low-power range across the threshold power or vice versa, different predetermined values or predetermined tolerance ranges are provided according to which the change is carried out. It is possible that the ionization current and the temperature are measured or even monitored in one or both ranges, but then one of the two values is to be regarded as "leading" or "decision-relevant" for the evaluation of the flame situation.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Temperatursensor eine Zündeinrichtung sein, insbesondere ein Hot-Surface-Igniter des Heizgerätes. In vorteilhafter Weise wird so die Komplexität eines Heizgerätes nicht erhöht, und es sind keine zusätzlichen Bauteile zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens notwendig.According to a preferred embodiment, the temperature sensor can be an ignition device, in particular a hot surface igniter of the heater. Advantageously This does not increase the complexity of a heating device and no additional components are required to carry out a process proposed here.

Dabei versteht sich, dass für ein Betreiben des Heizgerätes unterhalb der Schwellleistung auch die Signale mehrerer (verschiedener) Temperatursensoren und damit auch mehrere erfasste Temperaturen einbezogen werden können.It is understood that in order to operate the heater below the threshold power, the signals from several (different) temperature sensors and thus also several recorded temperatures can be included.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einem Betreiben des Heizgerätes unterhalb der Schwellleistung eine Leistungsänderungsgeschwindigkeit des Heizgerätes derart eingestellt werden, dass eine Änderung der Leistung des Heizgerätes (beispielsweise aufgrund eines geringeren Wärmebedarfs) von einem Erlöschen der Flamme anhand der erfassten Temperatur unterscheidbar erkennbar ist. Häufig wird hierfür die Leistungsänderungsgeschwindigkeit verringert, wobei eine geminderte Leistungsänderungsgeschwindigkeit insbesondere bei einem Anfahren eines Betriebspunktes mit geringerer Leistung des Heizgerätes einzustellen ist, weil eine Leistungssteigerung und eine damit verbundene Erhöhung der erfassten Temperatur der Flamme nicht mit einem Flammenverlust verwechselbar ist.According to an advantageous embodiment, when the heater is operated below the threshold power, a power change rate of the heater can be set in such a way that a change in the heater's power (for example due to a lower heat requirement) can be distinguished from the flame going out based on the detected temperature. The power change rate is often reduced for this purpose, with a reduced power change rate being set particularly when approaching an operating point with a lower heater power, because an increase in power and an associated increase in the detected temperature of the flame cannot be confused with a loss of flame.

In vorteilhafter Weise kann so eine thermische Masse eines Temperatursensors zum Erfassen einer Temperatur für eine Flammenerkennung unterhalb der Schwellleistung ausgeglichen werden, die zu einer verzögerten Reaktion des Temperatursignals des Sensors führen kann. Hierzu kann beispielsweise eine geeignete Leistungsänderungsgeschwindigkeit auf einem Datenspeicher eines Regel - und Steuergeräts hinterlegt sein, welches dazu eingerichtet ist, ein hier vorgestelltes Verfahren zu unterstützen oder sogar durchzuführen.In this way, a thermal mass of a temperature sensor for detecting a temperature for flame detection below the threshold power can be compensated in an advantageous manner, which can lead to a delayed reaction of the temperature signal of the sensor. For this purpose, for example, a suitable rate of change in power can be stored in a data storage device of a control device which is set up to support or even carry out a method presented here.

Eine geminderte Leistungsänderungsgeschwindigkeit kann zur Folge haben, dass ein neuer, beispielsweise auf einem geringeren Wärmebedarf basierender, Betriebspunkt des Heizgerätes mit geringerer Geschwindigkeit angefahren wird und so ein Betreiben des Heizgerätes mit geminderter Leistung eindeutig von einem Flammenverlust anhand einer in oder in unmittelbarer Nähe der Flamme erfassten Temperatur unterscheidbar ist.A reduced rate of change in power can result in a new operating point of the heater, for example based on a lower heat requirement, being approached at a lower speed, thus making it impossible to operate the A heater with reduced performance can be clearly distinguished from a loss of flame by means of a temperature measured in or in the immediate vicinity of the flame.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Elektrode zur Messung des lonisationsstroms eine Zündeinrichtung (Zündelektrode) des Heizgerätes sein. In vorteilhafter Weise wird so die Komplexität eines Heizgerätes nicht erhöht, und es sind keine zusätzlichen Bauteile zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens notwendig.According to an advantageous embodiment, an electrode for measuring the ionization current can be an ignition device (ignition electrode) of the heater. Advantageously, the complexity of a heater is not increased in this way, and no additional components are necessary to carry out a method proposed here.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches zur (zumindest teilweisen) Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet ist. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm (-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a computer program is also proposed which is designed to (at least partially) carry out a method presented here. In other words, this relates in particular to a computer program (product) comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out a method proposed here.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.According to a further aspect, a machine-readable storage medium is also proposed on which the computer program is stored. The machine-readable storage medium is usually a computer-readable data storage device.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Regel- und Steuergerät für ein Heizgerät vorgeschlagen, eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Regel- und Steuergerät kann hierzu beispielsweise einen Prozessor aufweisen, und/oder über diesen verfügen. In diesem Zusammenhang kann der Prozessor beispielsweise das auf einem (Daten-)Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. In vorteilhafter Weise können auf dem Speicher des Regel- und Steuergeräts auch Daten, wie beispielsweise eine Schwellleistung, zur Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens hinterlegt werden oder sein.According to a further aspect, a control device for a heating device is also proposed, set up to carry out a method proposed here. The control device can for example have a processor for this purpose and/or have this. In this context, the processor can for example carry out the method stored in a (data) memory (of the control device). Data, such as a threshold power, for example, can also be stored in the memory of the control device in an advantageous manner for carrying out a method presented here.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend ein hier vorgeschlagenes Regel- und Steuergerät. Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, insbesondere um ein wasserstoffbetriebenes Gasheizgerät. Das Gasheizgerät kann einen Brenner und eine Fördereinrichtung aufweisen, mit der ein Gemisch aus Verbrennungsgas (Wasserstoff) und Verbrennungsluft dem Brenner zugeführt werden kann.According to a further aspect, a heating device is also proposed, having a control and regulating device as proposed here. The heating device is in particular a gas heating device, in particular a hydrogen-operated gas heating device. The gas heating device can have a burner and a conveying device with which a mixture of combustion gas (hydrogen) and combustion air can be supplied to the burner.

Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung wahlweise eines erfassten lonisationsstroms oder einer erfassten Temperatur einer Flamme eines Heizgerätes zur Flammenerkennung bei einem Heizgerät in Abhängigkeit dessen aktueller Leistung bzw. zum Betreiben eines Heizgerätes vorgeschlagen. Insbesondere kann der lonisationsstrom durch eine im Bereich der Flamme angeordnete Elektrode, insbesondere eine Zündelektrode des Heizgerätes, ermittelt werden. Der erfasste lonisationsstrom und die erfasste Temperatur werden insbesondere für eine Flammenüberwachung im Rahmen des Betriebes des Heizgerätes herangezogen.According to a further aspect, the use of either a detected ionization current or a detected temperature of a flame of a heater is proposed for flame detection in a heater depending on its current output or for operating a heater. In particular, the ionization current can be determined by an electrode arranged in the area of the flame, in particular an ignition electrode of the heater. The detected ionization current and the detected temperature are used in particular for flame monitoring during operation of the heater.

Hier wird somit ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium, ein Regel- und Steuergerät, ein Heizgerät und eine Verwendung eines Ionisationsstroms angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren, das Heizgerät sowie die Verwendung zumindest dazu bei, eine sichere Flammenerkennung auch bei einem wasserstoffbetriebenen Heizgerät im gesamten Leistungsspektrum zu ermöglichen. In vorteilhafter Weise können so Probleme einer Flammenerkennung basierend auf einem Erfassen der von der Flamme emittierten UV-Strahlung, beispielsweise durch ein Verschmutzen (Verrußen) des UV-Sensors, umgangen werden.This therefore provides a method for operating a heater, a computer program, a machine-readable storage medium, a control device, a heater and the use of an ionization current, which at least partially solve the problems described with reference to the prior art. In particular, the method, the heater and the use at least contribute to enabling reliable flame detection even in a hydrogen-powered heater across the entire performance spectrum. In this way, problems with flame detection based on detecting the UV radiation emitted by the flame, for example due to soiling (sooting) of the UV sensor, can be advantageously avoided.

Zudem kann die Erfindung sehr einfach und insbesondere ohne bauliche Veränderungen an einem Heizgerät umgesetzt werden. Insbesondere bei einem Erfassen des lonisationsstromes des Heizgerätes oberhalb der Schwellleistung über eine Zündeinrichtung des Heizgerätes sind nur sehr geringe bis keine baulichen Veränderungen an einem Heizgerät notwendig, um ein hier vorgeschlagenes Verfahren durchzuführen.In addition, the invention can be implemented very easily and in particular without structural changes to a heating device. In particular, when detecting the Ionization current of the heater above the threshold power via an ignition device of the heater, only very small or no structural changes to a heater are necessary in order to carry out a method proposed here.

Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogramm, dem Speichermedium, dem Regel- und Steuergerät, dem Heizgerät und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.The details, features and advantageous embodiments discussed in connection with the method can also occur in the computer program presented here, the storage medium, the control and regulating device, the heater and/or the use and vice versa. In this respect, reference is made in full to the statements there for a more detailed characterization of the features.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

  • Fig. 1: einen Brenner eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes, und
  • Fig. 2: beispielhaft einen Parameterverlauf, der sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen kann.
The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the attached figures. It should be noted that the invention is not intended to be limited by the exemplary embodiments given. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and combine them with other components and findings from the present description. In particular, it should be noted that the figures and in particular the size relationships shown are only schematic. They show:
  • Fig.1 : a burner of a heating device proposed here, and
  • Fig.2 : an example of a parameter curve that can be achieved when carrying out a procedure proposed here.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Brenner 2 eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes 1. Im Betrieb befindlich kann der Brenner 2 eine Flamme 3 erzeugen. Im Bereich der Flamme 3 ist eine lonisationselektrode 5 angeordnet. Zum Erfassen eines Ionisationsstroms ist der Flamme 3. weiterhin im Bereich der Flamme 3 bzw. in unmittelbarer Nähe der Flamme 3 ein Temperatursensor 4 zum Erfassen einer Temperatur der Flamme 3 angeordnet. Sowohl die lonisationselektrode 5 als auch der Temperatursensor 4 können mit einem Regel- und Steuergerät 8 des Heizgerätes 1, auf dem ein hier vorgeschlagenes Verfahren durchgeführt wird, elektrisch verbunden sein. Über einen Gemischkanal 14 und eine Fördereinrichtung 13 kann dem Brenner 2 des Heizgerätes 1 ein Gemisch aus Verbrennungsgas und Verbrennungsluft zugeführt werden. Auch die Fördereinrichtung 13 kann mit dem Regel- und Steuergerät 8 elektrisch verbunden sein. Fig.1 shows an example and schematically a burner 2 of a heating device 1 proposed here. When in operation, the burner 2 can generate a flame 3. An ionization electrode 5 is arranged in the area of the flame 3. In order to detect an ionization current, a temperature sensor 4 is also arranged in the area of the flame 3 or in the immediate vicinity of the flame 3 to detect a temperature of the flame 3. Both the ionization electrode 5 and the temperature sensor 4 can be connected to a control and control unit 8 of the heater 1, on which a method proposed here is carried out. A mixture of combustion gas and combustion air can be supplied to the burner 2 of the heater 1 via a mixture channel 14 and a conveyor device 13. The conveyor device 13 can also be electrically connected to the regulating and control unit 8.

Beispielsweise kann auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes 8 ein Leistungsschwellwert 9 hinterlegt sein. Der Leistungsschwellwert 9 kann beispielsweise als eine definierte Drehzahl der Fördereinrichtung 13 angegeben werden.For example, a power threshold value 9 can be stored in a memory of the control device 8. The power threshold value 9 can be specified, for example, as a defined speed of the conveyor device 13.

Gemäß einem hier vorgeschlagenen Verfahren kann das Regel- und Steuergerät 8 bei einer Leistung des Heizgerätes unterhalb (kleiner als) dem Leistungsschwellwert 9 (also einer Drehzahl der Fördereinrichtung 13 unterhalb einer Schwelldrehzahl) eine Flammenerkennung basierend auf einer mittels des Temperatursensors 4 erfassten Temperatur durchführen.According to a method proposed here, the regulating and control device 8 can carry out flame detection based on a temperature detected by means of the temperature sensor 4 when the power of the heater is below (less than) the power threshold value 9 (i.e. a speed of the conveyor device 13 is below a threshold speed).

Bei einer Leistung des Heizgerätes 1 oberhalb des Leistungsschwellwertes 9 (also einer Drehzahl der Fördereinrichtung 13 oberhalb einer Schwelldrehzahl) kann das Regel- und Steuergerät 8 eine Flammenerkennung basierend auf einem mittels der lonisationselektrode 5 ermittelten lonisationsstromes durchführen.If the power of the heater 1 is above the power threshold value 9 (i.e. a speed of the conveyor device 13 is above a threshold speed), the regulating and control device 8 can carry out flame detection based on an ionization current determined by means of the ionization electrode 5.

Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Parameterverlauf, der sich bei Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens einstellen kann. Die Abszisse des in Figur 2 dargestellten Diagramms zeigt den Zeitverlauf t. Die Ordinate des Diagramms in Figur 2 bildet die aktuelle Leistung des Heizgerätes 1 ab, beispielsweise repräsentiert durch die Drehzahl der Fördereinrichtung 13. Gut erkennbar unterteilt die Schwellleistung 9 einen Leistungsbereich ionisationsstrombasierter Flammenerkennung 6 von einem Leistungsbereich temperaturbasierter Flammenerkennung 7. Fig.2 shows an example and schematically a parameter curve that can occur when carrying out a procedure presented here. The abscissa of the Figure 2 The diagram shown shows the time course t. The ordinate of the diagram in Figure 2 represents the current performance of the heater 1, for example represented by the speed of the conveyor 13. Clearly, the threshold power 9 divides a power range of ionization current-based flame detection 6 from a power range of temperature-based flame detection 7.

Zum Zeitpunkt 0 wird das Heizgerät mit Nennleistung 10 betrieben, wobei die Nennleistung 10 oberhalb der Schwellleistung 9 liegt und somit das Heizgerät mit ionisationsstrombasierter Flammenerkennung arbeitet. Beispielsweise aufgrund einer geringeren Wärmeanforderung soll die Leistung P des Heizgerätes 1 gemindert werden. Hierfür wird die Leistung P des Heizgerätes 1 von der Nennleistung 10 bis zur Schwellleistung 9 mit einer Leistungsänderungsgeschwindigkeit 11 heruntergefahren. Unterhalb der Schwellleistung 9 erfolgt die Minderung der Leistung P des Heizgerätes 1 mit einer geringeren Leistungsänderungsgeschwindigkeit 12. Vorteilhaft kann so anhand der mittels des Temperatursensors 4 ermittelten Temperatur die (gewollte) Minderung der Leistung P des Heizgerätes 1 von einem Flammenverlust unterschieden werden.At time 0, the heater is operated at nominal power 10, whereby the nominal power 10 is above the threshold power 9 and thus the heater works with ionization current-based flame detection. For example, due to a lower heat requirement, the power P of the heater 1 should be reduced. For this purpose, the power P of the heater 1 is reduced from the nominal power 10 to the threshold power 9 with a power change rate 11. Below the threshold power 9, the power P of the heater 1 is reduced with a lower power change rate 12. The (intended) reduction in the power P of the heater 1 can thus be advantageously distinguished from a loss of flame based on the temperature determined by means of the temperature sensor 4.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Heizgerätheater
22
Brennerburner
33
Flammeflame
44
TemperatursensorTemperature sensor
55
lonisationselektrodeionization electrode
66
Leistungsbereich (ionisationsstrombasierte Flammenerkennung)Performance range (ionization current based flame detection)
77
Leistungsbereich (temperaturbasierte Flammenerkennung)Performance range (temperature-based flame detection)
88th
Regel- und SteuergerätControl and regulation device
99
SchwellleistungThreshold power
1010
Nennleistungrated capacity
1111
Leistungsänderungsgeschwindigkeit (ionisationsstrombasierte Flammenüberwachung)Power change rate (ionization current based flame monitoring)
1212
Leistungsänderungsgeschwindigkeit (temperaturbasierte Flammenüberwachung)Power change rate (temperature-based flame monitoring)
1313
FördereinrichtungConveyor system
1414
GemischkanalMixture channel

Claims (10)

  1. Method for operating a heating device (1), wherein at a power of the heating device (1)
    - below a threshold power (9) a flame detection takes place based on a detected ionization current of the flame (3), and
    - above the threshold power (9) a flame detection takes place based on a temperature of the flame (3) of the heating device (1).
  2. Method according to claim 1, wherein the heating device (1) is operated with hydrogen as the fuel.
  3. Method according to any one of the preceding claims, wherein below the threshold power (9) a power change rate (12) of the heating device (1) is set in such a way that extinguishing of the flame (3) can be distinguished from a power reduction of the heating device (1) in the event of a change in the detected temperature.
  4. Method according to any one of the preceding claims, wherein above the threshold power (9) an ionization current is detected by means of an ignition device of the heating device (1).
  5. Method according to any one of the preceding claims, wherein above the threshold power (9) an ionization current sufficient for flame detection can be detected.
  6. Computer program, which is set up for carrying out a method according to any one of the preceding claims.
  7. Machine-readable storage medium on which the computer program according to claim 6 is stored.
  8. Regulating and control device (8) for a heating device (1), set up for carrying out a method according to any one of claims 1 to 5.
  9. Heating device (1), comprising a regulating and control device (8) according to claim 8.
  10. Use optionally of a detected ionization current of a flame (3) or a detected temperature of a flame (3) for flame detection in a heating device (1) as a function of its current output.
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