EP4345377A1 - Vorrichtung für ein heizgerät, heizgerät und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

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EP4345377A1
EP4345377A1 EP23198705.8A EP23198705A EP4345377A1 EP 4345377 A1 EP4345377 A1 EP 4345377A1 EP 23198705 A EP23198705 A EP 23198705A EP 4345377 A1 EP4345377 A1 EP 4345377A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
line
air
throttle valve
heater
Prior art date
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Pending
Application number
EP23198705.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Kipp
Andreas Reinert
Klaus Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4345377A1 publication Critical patent/EP4345377A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/002—Gaseous fuel
    • F23K5/007—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K2400/00—Pretreatment and supply of gaseous fuel
    • F23K2400/20—Supply line arrangements
    • F23K2400/201—Control devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K2900/00—Special features of, or arrangements for fuel supplies
    • F23K2900/05002—Valves for gaseous fuel supply lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2235/00—Valves, nozzles or pumps
    • F23N2235/12—Fuel valves
    • F23N2235/24—Valve details

Definitions

  • the invention relates to a device for a heater, a heater and a method for operating it.
  • a computer program product is also specified that can carry out the corresponding operation of the heater.
  • the invention relates in particular to a device for gas fittings in order to improve the ignition process of hydrogen-air or hydrogen-natural gas-air mixtures in gas-operated condensing boilers.
  • the safety valve in the fuel gas supply is usually opened.
  • a quantity of gas corresponding to the required burner output is then added, adjusted to the air flow being supplied. Due to the valve size and the fixed flow resistances to the mixing point, the same mixing ratio of gas and air is always provided in known gas-air compound controls.
  • the combustible air-gas mixture reaches the burner of the heater, where it burns after the ignition energy has been introduced.
  • the combustible air-gas mixture is not ignited immediately, which can lead to an accumulation of the combustible air-gas mixture in the area of the burner.
  • Delayed ignition which refers to the ignition of the accumulated flammable air-gas mixture, can result in a deflagration, which can damage internal components of the heater and endanger the surrounding area. Delayed ignition can have particularly serious consequences for devices or environments that burn a flammable air-hydrogen mixture.
  • a device for a heater and an adapted operating mode of a corresponding device are to be provided, which reduces the risk of corresponding serious consequences of a deflagration and/or enables quieter operation or start-up process of the heater.
  • Simple and compact retrofitting of existing heating devices should also be possible.
  • a device for a heater contributes to this, wherein this device comprises at least one fuel line with at least one fuel fitting as well as at least one air line and at least one conveying device.
  • the at least one fuel line and the at least one air line flow into one another and form (from there) a (common) fuel-air mixture line to a burner of the heater, via which the fuel-air mixture can be conveyed by means of the at least one conveying device.
  • An adjustable throttle valve is provided in the fuel line, which cannot be closed completely.
  • the heating device is in particular a gas heating device that is designed to burn a fuel gas, such as natural gas or in particular hydrogen, with the addition of ambient air and to generate thermal energy, for example for heating a heat carrier of a heating circuit or for providing a hot water supply.
  • a fuel gas such as natural gas or in particular hydrogen
  • the heating device can be designed as a gas-operated condensing heating device, which is designed in particular for burning (gaseous) fuel comprising hydrogen or a natural gas containing hydrogen.
  • the provision of fuel and air to the device can initially take place separately (via at least one fuel line and at least one air line), with the respective volume flows being adjustable by means of the fuel fitting on the one hand and the conveying device on the other, in particular with regard to the desired mixture ratios during combustion (combustion air ratio , also known as air ratio or lambda).
  • combustion air ratio also known as air ratio or lambda
  • the heater generally has a burner with a combustion chamber surrounding it and a conveyor or fan that can convey a mixture of fuel and combustion air via a fuel-air mixture line into a combustion chamber in which a burner is arranged. The combustion products can then be fed to the heater for cleaning through an exhaust line.
  • the burner itself can include at least one perforated plate that is connected to a burner cavity.
  • the burner cavity is connected to the fuel-air mixture line so that the fuel-air mixture can flow via the cavity through the perforated plate and be burned.
  • An ignition device can also be arranged in the area of the perforated plate and is designed to ignite a mass flow of the fuel-air mixture emerging through the perforated plate.
  • the burner cavity also referred to as the burner body, can be used in particular as a cylinder (straight circular cylinder). be designed, wherein a base area of the cylinder is connected to the fuel-air mixture line and the opposite base area can be closed.
  • the burner cavity can also be cuboid-shaped, which is delimited at the top by the perforated plate.
  • the heater may have a flame monitor that can detect the presence and/or quality of a flame on the burner and, if the flame goes out, interrupt the fuel supply.
  • a signal from the flame monitoring can be used to regulate and control the heater, in particular to determine and regulate a combustion air ratio of the fuel-air mixture.
  • the flame monitoring may include a sensor for detecting UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame, an ionization electrode for detecting an ionization current of the flame and/or at least one temperature sensor for detecting a flame temperature.
  • the fuel line In addition to the fuel fitting, which usually adjusts the desired fuel to match the air flow and in accordance with the specifically desired combustion air ratio, the fuel line also has an adjustable throttle valve that cannot be completely closed.
  • This throttle valve can be operated, for example, via a coil drive or another switchable drive, such as a stepper motor.
  • the throttle valve is designed in such a way that when open it allows practically the entire amount of gas provided by the fuel fitting to pass through and when closed (throttle) it limits the gas flow to a smaller value, which is significantly greater than 0%.
  • the throttle valve prefferably be (completely or almost completely) open in the inactive, in particular de-energized, state and to produce a reduced flow cross section in the active, in particular energized, state.
  • the throttle valve it is possible for the throttle valve to be in the inactive, especially de-energized, state is completely open and produces a reduced flow cross section in the active, especially de-energized, state.
  • the adjustable throttle valve in the active state is closed to a maximum of 50%, in particular in the range from 60% to 80% (based on the maximum cross section that can be freely flowed through).
  • the adjustable throttle valve can be provided between the fuel fitting and a discharge point of the fuel-air mixture line. In the direction of flow of the fuel, this is first precisely metered through the fuel fitting with a view to the desired combustion air ratio and then throttled before it reaches the fuel-air mixture line.
  • the adjustable throttle valve is preferably arranged in a section of the fuel line that runs from the fuel fitting to the discharge point.
  • a safety valve for closing and releasing the fuel line is also provided upstream of the fuel fitting and adjustable throttle valve.
  • the safety valve is designed in particular so that it can (completely) release or (completely) stop the fuel supply to the fuel fitting.
  • the safety valve can be controlled as required, e.g. opened when the heater is started and/or closed in the event of a fault or when the heater is switched off.
  • a single (double-acting) safety valve or two safety valves, a single burner fitting and a single adjustable throttle valve can be provided in the fuel line and in this order.
  • the device can further comprise a control device, designed to operate at least the fuel valve, the conveyor device and the adjustable throttle valve.
  • the control device is connected to the respective actuators or servo drives via a signal line.
  • the control device can automatically control the operation of the fuel valve, the Check and determine the conveying device and the adjustable throttle valve.
  • the regulating and control device can be set up in particular to carry out the process explained here.
  • a heater comprising a device presented here and a burner with an ignition device, with a regulating and control device being provided, set up to operate at least the fuel fitting, the conveying device, the adjustable throttle valve and the ignition device.
  • the burner or the ignition device can also include flame monitoring. This also enables controlled operation of the burner or operation of the fuel fitting, the conveying device and the adjustable throttle valve that is tailored to the combustion.
  • Steps a), b), c) and d) can be carried out at least once in the specified order.
  • steps a) and b) can be carried out in parallel or at the same time.
  • the method can be initiated when (re)starting the heater or an (imminent) ignition process.
  • the method and/or the device described should or can ensure that a reduced amount of fuel is provided during the starting/ignition process and that the amount of fuel required for the burner output is then mixed in during regular operation.
  • a fuel supply and an air supply are determined for a given performance point of the heater.
  • the performance point of the heater can be predetermined by its function (hot water provision, etc.).
  • the performance point can be a predetermined (stored or fixed) reference point or a point determined based on current ambient conditions or settings of the heating system. Operating parameters are specified for this performance point (or the corresponding combustion air ratio) that define the required amount (mass flow or volume flow) of fuel supply and air supply so that the desired performance is achieved.
  • step b) operating parameters of a fuel fitting and a conveyor device for setting a corresponding volume flow in at least one fuel line and at least one air line are determined. It is possible that in particular the motors, actuators, etc. of the fuel fitting and conveyor device are controlled in such a way that the required volume flows are set specifically or exactly.
  • step c the (controlled) supply of fuel and air to a fuel-air mixture line can take place, see step c). This means that fuel and air now flow in the corresponding lines.
  • step d) the volume flow of the fuel is temporarily reduced or throttled by means of an adjustable throttle valve in the fuel line.
  • the adjustable throttle valve is activated in parallel to the previous steps or at least at the beginning of step c), i.e. in particular to set the reduced flow cross section.
  • This throttle valve is activated or operated, for example, via a coil drive or other drive, such as a stepper motor.
  • the adjustable throttle valve has two specific states (active/inactive), which can be switched selectively.
  • the throttle valve is activated at the beginning of step d) and then switched to inactive at the end of step d).
  • the reduction during step d) to be constant, possibly also essentially independent of the actual power point of the heater.
  • step d) is carried out with the initiation of step c). This means in particular that the reduction or throttling is already active (immediately) when the fuel flow begins.
  • Step d) can be ended again after a predetermined period of time.
  • the time period can be, for example, in the range of 1 to 5 seconds, although a time period of 2 to 3 seconds can be advantageous when hydrogen is used as fuel.
  • step d) it is possible for step d) to only be completed when at least one predetermined status parameter of the heater or a water circuit connected to it reaches a target value.
  • the status parameters of the heater include, for example, the safety time of the ignition device, the temperature in the combustion chamber of the burner, etc The result of the evaluation of the flame monitoring is taken into account.
  • a status parameter of the water circuit connected to it can in particular be at least one (water) temperature in the heating circuit and/or its change over time.
  • a heater is proposed with a fuel fitting, a delivery device, an adjustable throttle valve and means which are adapted to carry out the steps of the method specified here.
  • the means can in particular include an appropriately set up control and control device.
  • a further aspect relates to a computer program comprising instructions that cause the heating device disclosed here to carry out the specified method steps.
  • a computer-readable medium can be provided on which this computer program is stored.
  • Fig.1 shows a device for a heater 1, which comprises a fuel line 2 with a fuel fitting 3 and an air line 4.
  • the fuel line 2 opens into the air line 4 at a so-called outlet point 9.
  • a common fuel-air mixture line 6 extends to a burner 7 of the heater 1.
  • a conveying device 5, here designed as a fan, for example, is also provided, with which the fuel-air mixture can be conveyed. It is of course possible to provide the conveying device in the air line 4. It is also possible for the air line 4 (or the conveying device 5 if it is positioned in front of the outlet point 9) to be assigned an air mass flow sensor 17, via which the current mass flow of air can be determined directly or indirectly (derived).
  • the following components are arranged in the fuel line 2 in the direction of flow towards the mouth point 9: a safety valve 10, a fuel fitting 3 and an adjustable throttle valve 8, the latter of which cannot be completely closed. These components can be used to adjust whether and with what quantity fuel is mixed into the air.
  • the predefined fuel-air mixture is fed to a burner 7, in whose surrounding burner chamber the flames are formed and where an ignition device 12 and a burner temperature sensor 18 are also provided.
  • the ignition device is provided and set up to ignite the incoming fuel-air mixture.
  • the burner temperature sensor 18 can be part of a flame monitoring system and can be used to evaluate the presence and/or quality of the flames.
  • the burner 7 is set up to influence an adjacent water circuit 13 in a heat-conducting manner.
  • the water circuit 13 can lead a liquid heat transfer medium (water) past the burner so that it absorbs and dissipates the heat.
  • a flow temperature sensor 14 can record the temperature when the heat transfer medium flows in Temperature sensor return, the temperature when the heat transfer medium flows away and / or a flow sensor 16 is used or used to determine the flow rate of heat transfer medium.
  • the fuel-air mixture burned in the burner 7 can be cleaned via an exhaust pipe 20.
  • a (central) control device 11 is provided, which is connected to the components mentioned via a plurality of signal lines 19 and can thus monitor and/or adjust their operation.
  • the control device is set up to carry out the method proposed here.
  • the safety valve 10 is opened by the control unit 11 and the fuel fitting 3 (control valve) goes into the position that allows the amount of fuel required for the load point of the burner 7 to pass through.
  • the adjustable throttle valve 8 is actuated by the control unit 11, e.g. via a coil drive.
  • the adjustable throttle valve 8 is now set so that in the active, i.e. partially closed (throttled), state the flow of fuel is limited to preferably 60-80%.
  • the ignition device 12 eg spark or glow igniter
  • the safety time begins. This can be in the range between 1 and 5 seconds, preferably 2 to 2.5 seconds for hydrogen burners.
  • the adjustable throttle valve 8 becomes inactive switched, i.e. completely opened again, so that the regular amount of fuel is made available to the burner 7.
  • the switchover can also occur if the (water) temperature in the heating circuit increases (e.g. by min 1 K) and/or the temperature in the combustion chamber reaches a limit value and/or an evaluation of the glow plug signal or the flame monitoring shows that the flame is properly formed.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Heizgerätes (1) mit folgenden Schritten vorgeschlagen:a) Bestimmen einer Brennstoffzufuhr und einer Luftzufuhr für einen vorgegebenen Leistungspunkt des Heizgerätes (1);b) Festlegen von Betriebsparametern einer Brennstoffarmatur (3) und einer Fördereinrichtung (5) zur Einstellung eines entsprechenden Volumenstroms in mindestens einer Brennstoffleitung (2) und mindestens einer Luftleitung (4);c) Zuführen von Brennstoff und Luft hin zu einer Brennstoff-Luft-Gemischleitung (6);d) Zeitweises Reduzieren des Volumenstroms des Brennstoffs mittels eines einstellbaren Drosselventils (8) in der Brennstoffleitung (2) während Schritt c).Des Weiteren werden Vorrichtungen bzw. Heizgeräte vorgeschlagen, mit denen dieses Verfahren durchführbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Heizgerät, ein Heizgerät und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Zudem wird auch ein Computerprogrammprodukt angegeben, das ein entsprechenden Betrieb des Heizgerätes ausführen kann.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung für Gasarmaturen, um den Zündvorgang von Wasserstoff-Luft- bzw. Wasserstoff-Erdgas-Luft-Gemischen in gasbetriebenen Brennwert-Heizgeräten zu verbessern.
  • Zum Start eines Gasbrenners wird üblicherweise das Sicherheitsventil in der Brenngas-Zufuhr geöffnet. Angepasst zum geförderten Luftstrom wird dann eine der gewünschten Brennerleistung entsprechende Gasmenge zugemischt. Durch die Ventilgröße und die fest vorgegebenen Strömungswiderstände hin zur Mischstelle wird bei bekannten Gas-Luftverbundregelungen immer das gleiche Mischungsverhältnis von Gas und Luft bereitgestellt.
  • Während der Zündphase gelangt das brennbare Luft-Gas-Gemisch zum Brenner des Heizgerätes, wo es nach Einbringen der Zündenergie verbrennt. Es ist allerdings möglich, dass (zumindest manchmal) das brennbare Luft-Gas-Gemisch nicht sofort gezündet wird, was zu einer Anreicherung des brennbaren Luft-Gas-Gemisches im Bereich des Brenners führen kann. Eine verzögerte Zündung, die sich auf das Entzünden des angesammelten brennbaren Luft-Gas-Gemisches bezieht, kann zu einer Verpuffung führen, die interne Komponenten des Heizgerätes beschädigen und die Umgebung gefährden kann. Eine verzögerte Zündung kann insbesondere schwerwiegende Folgen für Geräte oder Umgebung haben, die ein brennbares Luft-Wasserstoff-Gemisch verbrennen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen eine Vorrichtung für ein Heizgerät und eine angepasste Betriebsweise einer entsprechenden Vorrichtung bereitgestellt werden, die das Risiko von entsprechenden schwerwiegenden Folgen einer Verpuffung reduziert und/oder einen geräuschärmeren Betrieb bzw. Anfahrprozess des Heizgerätes ermöglicht. Dabei soll auch eine einfache und kompakte Nachrüstung bestehender Heizgeräte ermöglicht sein.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung, einem Verfahren, einem Heizgerät und einem Computerprogramm gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den 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.
  • Hierzu trägt eine Vorrichtung für ein Heizgerät bei, wobei diese Vorrichtung zumindest mindestens eine Brennstoffleitung mit mindestens einer Brennstoffarmatur sowie mindestens eine Luftleitung und mindestens eine Fördereinreichung umfasst. Die mindestens eine Brennstoffleitung und die mindestens eine Luftleitung münden ineinander und bilden (von dort aus) eine (gemeinsame) Brennstoff-Luft-Gemischleitung hin zu einem Brenner des Heizgeräts, über die mittels der mindestens einen Fördereinrichtung Brennstoff-Luft-Gemisch gefördert werden kann. Dabei ist in der Brennstoffleitung ein einstellbares Drosselventil vorgesehen, das nicht vollständig schließbar ist.
  • Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, das dazu eingerichtete ist, ein Brenngas, wie Erdgas oder insbesondere Wasserstoff unter Zufuhr von Umgebungsluft zu verbrennen und Wärmeenergie, beispielsweis zur Erwärmung eines Wärmeträgers eines Heizkreislaufes oder auch zur Bereitstellung einer Warmwasserversorgung zu erzeugen. Insbesondere kann das Heizgerät als gasbetriebenes Brennwert-Heizgerät ausgeführt sein, wobei dieses insbesondere zur Verbrennung von (gasförmigem) Brennstoff umfassend Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Erdgas eingerichtet ist.
  • Die Bereitstellung von Brennstoff und Luft zur Vorrichtung kann zunächst getrennt erfolgen (über mindestens eine Brennstoffleitung und mindestens eine Luftleitung), wobei die jeweiligen Volumenströme mittels einerseits der Brennstoffarmatur und anderseits der Fördereinrichtung einstellbar sind, insbesondere mit Blick auf die gewünschten Gemischverhältnisse bei der Verbrennung (Verbrennungsluftverhältnis, auch als Luftzahl oder Lambda bezeichnet).
  • Das Heizgerät weist in der Regel einen Brenner mit einer diesen umgebenden Brennkammer und eine Fördereinrichtung bzw. ein Gebläse auf, die ein Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft über eine Brennstoff-Luft-Gemischleitung in eine Brennkammer, in der ein Brenner angeordnet ist, fördern kann. Die Verbrennungsprodukte können anschließend durch eine Abgasleitung des Heizgerätes Reinigung zugeführt werden.
  • Der Brenner selbst kann mindestens ein Lochblech umfassen, das mit einem Brennerhohlraum verbunden ist. Der Brennerhohlraum ist mit der Brennstoff-Luft-Gemischleitung verbunden, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch über den Hohlraum durch das Lochblech strömen und verbrannt werden kann. Im Bereich des Lochbleches kann zudem eine Zündeinrichtung angeordnet sein, dazu eingerichtet, einen durch das Lochblech austretenden Massestrom des Brennstoff-Luft-Gemischs zu entzünden. Der Brennerhohlraum, auch als Brennerkörper bezeichnet, kann dabei insbesondere als Zylinder (gerader Kreiszylinder) ausgebildet sein, wobei eine Grundfläche des Zylinders mit der Brennstoff-Luft-Gemischleitung verbunden und die gegenüberliegende Grundfläche verschlossen sein kann. Alternativ kann der Brennerhohlraum auch quaderförmig ausgebildet sein, der obenseitig von dem Lochblech begrenzt ist.
  • Das Heizgerät kann eine Flammenüberwachung aufweisen, die das Vorhandensein und/oder die Qualität einer Flamme am Brenner erfassen und, bei einem Erlöschen der Flamme, die Brennstoffzufuhr unterbrechen kann. Dabei kann ein Signal der Flammenüberwachung zur Regelung und Steuerung des Heizgerätes, insbesondere zum Ermitteln und Regeln eines Verbrennungsluftverhältnisses des Brennstoff-Luft-Gemischs, herangezogen werden. Die Flammenüberwachung kann einen Sensor zum Erfassen von der Flamme emittierter UV- (Ultraviolett-)Strahlung, eine lonisationselektrode zum Erfassen eines Ionisationsstromes der Flamme und/oder mindestens einen Temperatursensor zum Erfassen einer Flammentemperatur umfassen.
  • In der Brennstoffleitung ist neben der Brennstoffarmatur, die üblicherweise den gewünschten Brennstoff passend zur Luftströmung und entsprechend des konkret gewünschten Verbrennungsluftverhältnis einstellt, zusätzlich ein einstellbares Drosselventil vorgesehen ist, das nicht vollständig schließbar ist. Dieses Drosselventil kann z.B. über einen Spulanatrieb oder einen anderen schaltbaren Antrieb, wie z.B. einen Steppermotor betätigt werden. Das Drosselventil ist so ausgelegt, dass es im geöffneten Zustand praktisch die gesamte von der Brennstoffarmatur bereit gestellte Gasmenge durchlässt und im geschlossenen (Androssel-) Zustand den Gasstrom auf einen kleineren Wert, der deutlich größer als 0% beträgt, begrenzt.
  • Es ist möglich, dass das Drosselventil im inaktiven, insbesondere stromlosen, Zustand (vollkommen oder nahezu vollkommen) offen ist und im aktiven, insbesondere bestromten, Zustand einen reduzierten Durchströmungsquerschnitt erzeugt. Alternativ ist möglich, dass das Drosselventil im inaktiven, insbesondere bestromlosten, Zustand vollkommen offen ist und im aktiven, insbesondere stromlosen, Zustand einen reduzierten Durchströmungsquerschnitt erzeugt. Es ist besonders bevorzugt, dass das einstellbare Drosselventil im aktiven Zustand maximal zu 50%, insbesondere im Bereich von 60 % bis 80 % (bezogen auf den maximal frei durchströmbaren Querschnitt) geschlossen ist.
  • Das einstellbare Drosselventil kann zwischen der Brennstoffarmatur und einer Mündungsstelle der Brennstoff-Luft-Gemischleitung vorgesehen sein. In Strömungsrichtung des Brennstoffes wird dieser zunächst mit Blick auf das gewünschte Verbrennungsluftverhältnis durch die Brennstoffarmatur exakt dosiert und danach, bevor es die Brennstoff-Luft-Gemischleitung erreicht, gedrosselt. Das einstellbare Drosselventil ist bevorzugt in einem Abschnitt der Brennstoffleitung angeordnet, der von der Brennstoffarmatur hin zur Mündungsstelle verläuft.
  • Es ist möglich, dass stromauf von Brennstoffarmatur und einstellbaren Drosselventil zusätzlich ein Sicherheitsventil zum Verschließen und Freigeben der Brennstoffleitung vorgesehen ist. Das Sicherheitsventil ist insbesondere so ausgebildet, dass es die Brennstoffzufuhr hin zur Brennstoffarmatur (vollständig) freigeben oder (vollständig) stoppen kann. Das Sicherheitsventil kann bedarfsgerecht angesteuert werden, z. B. geöffnet werden beim Starten des Heizgerätes und/oder geschlossen werden im Störfall oder beim Abschalten des Heizgeräts. Es können jeweils ein einzelnes (doppelt wirkendes) Sicherheitsventil bzw. zwei Sicherheitsventile, eine einzelne Brennerarmatur und ein einzelnes einstellbares Drosselventil in der Brennstoffleitung und in dieser Reihenfolge vorgesehen.
  • Die Vorrichtung kann weiter ein Regel- und Steuergerät umfassen, eingerichtet zum Betrieb zumindest der Brennstoffarmatur, der Fördereinrichtung und des einstellbaren Drosselventils. Bevorzugt ist das Regel- und Steuergerät mit den jeweiligen Aktuatoren bzw. Stellantrieben über eine Signalleitung verbunden. Das Regel- und Steuergerät kann aufgrund vorgegebener Situationen, Anlässe selbsttätig den Betrieb der Brennstoffarmatur, der Fördereinrichtung und des einstellbaren Drosselventils kontrollieren und bestimmen. Regel- und Steuergerät kann insbesondere so eingerichtet sein, um das hier erläuterte Verfahren auszuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Heizgerät vorgeschlagen, umfassend eine hier vorgestellte Vorrichtung sowie einen Brenner mit einer Zündeinrichtung, wobei ein Regel- und Steuergerät vorgesehen ist, eingerichtet zum Betrieb zumindest der Brennstoffarmatur, der Fördereinrichtung, des einstellbaren Drosselventils und der Zündeinrichtung. Der Brenner bzw. die Zündeinrichtung kann auch eine Flammenüberwachung umfassen. Damit ist auch ein kontrollierter Betrieb des Brenners bzw. ein auf die Verbrennung abgestimmter Betrieb der Brennstoffarmatur, der Fördereinrichtung und des einstellbaren Drosselventils ermöglicht.
  • Vorgeschlagen wird hier Verfahren zum Betrieb eines Heizgerätes, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:
    1. a) Bestimmen einer Brennstoffzufuhr und einer Luftzufuhr für einen vorgegebenen Leistungspunkt des Heizgerätes;
    2. b) Festlegen von Betriebsparametern einer Brennstoffarmatur und einer Fördereinrichtung zur Einstellung eines entsprechenden Volumenstroms in mindestens einer Brennstoffleitung und mindestens einer Luftleitung;
    3. c) Zuführen von Brennstoff und Luft hin zu einer Brennstoff-Luft-Gemischleitung;
    4. d) Zeitweises Reduzieren des Volumenstroms des Brennstoffs mittels eines einstellbaren Drosselventils in der Brennstoffleitung während Schritt c).
  • Zu den strukturellen Merkmalen des Heizgerätes und dessen Komponenten kann vollumfänglich auf die Erläuterungen an anderer Stelle dieser Beschreibung, auch im Zusammenhang mit der Figur, Bezug genommen werden.
  • Die Schritte a), b), c) und d) können dabei mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Insbesondere können die Schritte a) und b) parallel bzw. zeitgleich durchgeführt werden. Zudem kann das Verfahren beim (Wieder-)Starten des Heizgeräts bzw. einem (bevorstehenden) Zündvorgang initiiert werden.
  • Mit dem Verfahren und/oder der beschriebenen Vorrichtung soll bzw. kann sichergestellt werden, dass während des Start-/Zündvorgangs eine reduzierte Brennstoffmenge bereitgestellt wird und danach im Regelbetrieb die für die Brennerleistung erforderliche Brennstoffmenge zugemischt wird.
  • In Schritt a) wird eine Brennstoffzufuhr und eine Luftzufuhr für einen vorgegebenen Leistungspunkt des Heizgerätes bestimmt. Der Leistungspunkt des Heizgerätes kann vorbestimmt sein über dessen Funktion (Warmwasserbereitstellung, etc.). Der Leistungspunkt kann ein vorgegebener (gespeicherter bzw. fester) Referenzpunkt oder ein basierend auf aktuellen Umgebungsbedingungen oder Einstellungen des Heizsystems bestimmter Punkt sein. Für diesen Leistungspunkt (bzw. das entsprechende Verbrennungsluftverhältnis) sind Betriebsparameter vorgegeben, die die erforderliche Menge (Massenstrom oder Volumenstrom) der Brennstoffzufuhr und Luftzufuhr definieren, damit die gewünschte Leistung erreicht wird.
  • Hierauf aufbauend werden gemäß Schritt b) Betriebsparameter einer Brennstoffarmatur und einer Fördereinrichtung zur Einstellung eines entsprechenden Volumenstroms in mindestens einer Brennstoffleitung und mindestens einer Luftleitung festgelegt. Es ist möglich, dass insbesondere die Motoren, Stellantriebe, etc. von Brennstoffarmatur und Fördereinrichtung so angesteuert werden, dass konkret bzw. exakt die erforderlichen Volumenströme eingestellt sind.
  • Zeitgleich oder danach kann das (geregelte) Zuführen von Brennstoff und Luft hin zu einer Brennstoff-Luft-Gemischleitung erfolgen, siehe Schritt c). Damit strömt nun also Bernstoff und Luft in den zugehörigen Leitungen.
  • Gemäß Schritt d) wird dabei der Volumenstrom des Brennstoffs allerdings mittels eines einstellbaren Drosselventils in der Brennstoffleitung zeitweise reduziert bzw. gedrosselt. Es ist möglich, dass bereits parallel zu den vorherigen Schritten oder zumindest zu Beginn des Schrittes c) das einstellbare Drosselventil aktiviert, also insbesondere der reduzierte Durströmungsquerschnitt eingestellt wird. Dieses Drosselventil wird z.B. über einen Spulanatrieb oder aber auch anderen Antrieb, wie z.B. Steppermotor, aktiviert bzw. betätigt. Bevorzugt ist, dass das einstellbare Drosselventil zwei konkrete Zustände (aktiv / inaktiv) aufweist, die wahlweise geschaltet werden können. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Drosselventil zu Beginn von Schritt d) aktiviert und dann am Ende von Schritt d) inaktiv geschaltet wird. Es ist insbesondere möglich, dass die Reduktion während Schritt d) konstant ist, ggf. auch im Wesentlichen unabhängig vom tatsächlichen Leistungspunkt des Heizgerätes.
  • Es ist möglich, dass Schritt d) mit der Initiierung des Schrittes c) ausgeführt wird. Das bedeutet insbesondere, dass (unmittelbar) mit dem Einsetzen Brennstoffströmung bereits die Reduzierung bzw. Drosselung aktiv ist.
  • Schritt d) kann nach einer vorgegebenen Zeitspanne wieder beendet werden. Die Zeitspanne kann beispielsweise im Bereich von 1 bis 5 Sekunden betragen, wobei bei Wasserstoff als Brennstoff eine Zeitspanne von 2 bis 3 Sekunden vorteilhaft sein kann.
  • Es ist möglich, dass Schritt d) erst beendet wird, wenn mindestens ein vorgegebener Zustandsparameter des Heizgeräts oder einen daran angeschlossenen Wasserkreislauf einen Zielwert erreicht. Als Zustandsparameter des Heizgerätes kommen beispielhaft die Sicherheitszeit der Zündeinrichtung, die Temperatur in der Brennkammer des Brenners, das Ergebnis der Auswertung der Flammenüberwachung in Betracht. Ein Zustandsparameter des daran angeschlossenen Wasserkreislaufs kann insbesondere mindestens eine (Wasser-)Temperatur im Heizkreis und/oder deren zeitliche Änderung sein.
  • Weiter wird ein Heizgerät mit einer Brennstoffarmatur, einer Fördereinrichtung, einem einstellbaren Drosselventil und Mitteln vorgeschlagen, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des hier angegebenen Verfahrens ausführen. Die Mittel können insbesondere ein entsprechend eingerichtetes Regel- und Steuergerät umfassen.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das hier offenbarte Heizgerät die angegebenen Verfahrensschritte ausführt. Es kann ein computerlesbares Medium bereitgestellt sein, auf dem dieses Computerprogramm gespeichert ist.
  • Die Ausführungen jeweils zu der Vorrichtung, dem Heizgerät, dem Verfahren und dem Computerprogramm können vollumfänglich herangezogen werden, den anderen, vorstehend genannten Aspekt zu charakterisieren.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das angeführte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in der Figur erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind.
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung für ein Heizgerät 1, welches eine Brennstoffleitung 2 mit einer Brennstoffarmatur 3 sowie eine Luftleitung 4 umfasst. Die Brennstoffleitung 2 mündet in die Luftleitung 4 an einer so genannten Mündungsstelle 9. Von dort aus erstreckt sich eine gemeinsame Brennstoff-Luft-Gemischleitung 6 hin zu einem Brenner 7 des Heizgeräts 1. Es ist weiter eine Fördereinreichung 5, hier z. B. als Gebläse ausgebildet, vorgesehen, mit der das Brennstoff-Luft-Gemisch gefördert werden kann. Selbstverständlich ist möglich, die Fördereinrichtung auch in der Luftleitung 4 vorzusehen. Weiter ist möglich, dass der Luftleitung 4 (oder der Fördereinrichtung 5, wenn diese vor der Mündungsstelle 9 positioniert ist) ein Luftmassenstromsensor 17 zugeordnet ist, über den direkt oder mittelbar (abgeleitet) der aktuelle Massenstrom Luft ermittelbar ist.
  • In der Brennstoffleitung 2 sind in Strömungsrichtung hin zur Mündungsstelle 9 folgende Komponenten angeordnet: ein Sicherheitsventil 10, eine Brennstoffarmatur 3 und ein einstellbares Drosselventil 8, wobei letzteres nicht vollständig schließbar ist. Mit diesen Komponenten ist einstellbar, ob bzw. mit welcher Quantität Brennstoff in die Luft eingemischt wird.
  • Das vordefinierte Brennstoff-Luft-Gemisch wird einem Brenner 7 zugeführt, in dessen umgebender Brennerkammer die Flammen ausgebildet werden und wo auch eine Zündeinrichtung 12 sowie ein Temperatursensor Brenner 18 vorgesehen ist. Die Zündeinrichtung ist vorgesehen und eingerichtet, dass einströmende Brennstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. Der Temperatursensor Brenner 18 kann Teil einer Flammenüberwachung sein und dazu dienen, das Vorliegen und/oder die Qualität der Flammen zu bewerten.
  • Der Brenner 7 ist eingerichtet, ein wärmeleitender Weise einen benachbarten Wasserkreislauf 13 zu beeinflussen. Insbesondere kann der Wasserkreislauf 13 einen flüssigen Wärmeträger (Wasser) an dem Brenner vorbeiführen, so dass dieser die Wärme aufnimmt und abführt. Zur Zustandsbeschreibung des Wasserkreislaufes 13 kann ein Temperatursensor Vorlauf 14 die Temperatur beim Hinströmen des Wärmeträgers, ein Temperatursensor Rücklauf die Temperatur beim Wegströmen des Wärmeträgers und/oder ein Durchflusssensor 16 zur Bestimmung der Durchflussmenge an Wärmeträger dienen bzw. eingesetzt werden.
  • Das im Brenner 7 verbrannte Brennstoff-Luft-Gemisch kann über eine Abgasleitung 20 gereinigt werden.
  • Weiter ist ein (zentrales) Regel- und Steuergerät 11 vorgesehen, das über eine Vielzahl von Signalleitungen 19 mit den genannten Komponenten verbunden ist und derart deren Betrieb überwachen und/oder einstellen kann. Insbesondere ist das Regel- und Steuergerät eingerichtet, das hier vorgeschlagene Verfahren auszuführen.
  • Anhand des dargestellten Aufbaus des Heizgerätes wird nachfolgend beispielhaft ein möglicher Betrieb erläutert.
  • Soll der Brenner 7 gestartet werden, so wird von dem Regel- und Steuergerät 11 das Sicherheitsventil 10 geöffnet und die Brennstoffarmatur 3 (Regeventil) geht in die Stellung, die für den Lastpunkt des Brenners 7 erforderliche Brennstoffmenge durchlässt.
  • Das einstellbare Drosselventil 8 wird von dem Regel- und Steuergerät 11 z.B. über einen Spulanatrieb betätigt. Das einstellbare Drosselventil 8 ist nun so eingestellt, dass im aktiven, das heißt teilweise geschlossenen (Androssel-), Zustand den Strom des Brennstoffs auf vorzugsweise 60-80% begrenzt.
  • Mit Öffnen des Sicherheitsventils 10 wird zudem die Zündeinrichtung 12 (z.B. Funken- oder Glühzünder) gestartet und es beginnt die sog. Sicherheitszeit. Die kann im Bereich zwischen 1 und 5 Sekunden betragen, bei Wasserstoff- Brennern vorzugsweise bei 2 bis 2,5 Sekunden. Nach Ablauf der Sicherheitszeit wird das einstellbare Drosselventil 8 inaktiv geschaltet, also wieder vollständig geöffnet, so dass die reguläre Brennstoffmenge dem Brenner 7 zur Verfügung gestellt wird.
  • Zudem kann die Umschaltung auch erfolgen, wenn die (Wasser-)Temperatur im Heizkreis ansteigt (z.B. um min 1 K) und/oder die Temperatur in der Brennkammer einen Grenzwert erreicht und/oder eine Auswertung des Glühzündersignals bzw. der Flammenüberwachung ergibt, dass die Flamme ordnungsgemäß ausgebildet ist.
  • Mit der beschriebenen Vorrichtung und den Verfahren kann sichergestellt werden, dass während des Start-/Zündvorgangs eine reduzierte Gasmenge bereitgestellt wird und danach im Regelbetrieb die für die Brennerleistung erforderliche Gasmenge zugemischt wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Brennstoffleitung
    3
    Brennstoffarmatur
    4
    Luftleitung
    5
    Fördereinreichung
    6
    Brennstoff-Luft-Gemischleitung
    7
    Brenner
    8
    einstellbares Drosselventil
    9
    Mündungsstelle
    10
    Sicherheitsventil
    11
    Regel- und Steuergerät
    12
    Zündeinrichtung
    13
    Wasserkreislauf
    14
    Temperatursensor Vorlauf
    15
    Temperatursensor Rücklauf
    16
    Durchflusssensor
    17
    Luftmassenstromsensor
    18
    Temperatursensor Brenner
    19
    Signalleitung
    20
    Abgasleitung

Claims (12)

  1. Vorrichtung für ein Heizgerät (1), zumindest umfassend mindestens eine Brennstoffleitung (2) mit mindestens einer Brennstoffarmatur (3) sowie mindestens eine Luftleitung (4) und mindestens eine Fördereinreichung (5), wobei die mindestens eine Brennstoffleitung (2) und die mindestens eine Luftleitung (4) ineinander münden und eine Brennstoff-Luft-Gemischleitung (6) hin zu einem Brenner (7) des Heizgeräts (1) bilden, über die mittels der mindestens einen Fördereinrichtung (5) Brennstoff-Luft-Gemisch gefördert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffleitung (2) ein einstellbares Drosselventil (8) vorgesehen ist, das nicht vollständig schließbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einstellbare Drosselventil (8) im aktiven Zustand maximal 50% geschlossen und im inaktiven Zustand offen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einstellbare Drosselventil (8) zwischen der Brennstoffarmatur (3) und einer Mündungsstelle (9) der Brennstoff-Luft-Gemischleitung (6) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf von Brennstoffarmatur (3) und einstellbaren Drosselventil (8) zusätzlich ein Sicherheitsventil (10) zum Verschießen und Freigeben der Brennstoffleitung (2) vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Regel- und Steuergerät (11) umfasst, eingerichtet zum Betrieb zumindest der Brennstoffarmatur (3), der Fördereinrichtung (5) und des einstellbaren Drosselventils (8).
  6. Heizgerät (1), umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Brenner (7) mit einer Zündeinrichtung (12) aufweist, wobei ein Regel- und Steuergerät (11) vorgesehen ist, eingerichtet zum Betrieb zumindest der Brennstoffarmatur (3), der Fördereinrichtung (5), des einstellbaren Drosselventils (8) und der Zündeinrichtung (12).
  7. Verfahren zum Betrieb eines Heizgerätes (1), gekennzeichnet durch zumindest die folgenden Schritte:
    a) Bestimmen einer Brennstoffzufuhr und einer Luftzufuhr für einen vorgegebenen Leistungspunkt des Heizgerätes (1);
    b) Festlegen von Betriebsparametern einer Brennstoffarmatur (3) und einer Fördereinrichtung (5) zur Einstellung eines entsprechenden Volumenstroms in mindestens einer Brennstoffleitung (2) und mindestens einer Luftleitung (4);
    c) Zuführen von Brennstoff und Luft hin zu einer Brennstoff-Luft-Gemischleitung (6);
    d) Zeitweises Reduzieren des Volumenstroms des Brennstoffs mittels eines einstellbaren Drosselventils (8) in der Brennstoffleitung (2) während Schritt c).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) mit der Initiierung des Schrittes c) ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) nach einer vorgegebenen Zeitspanne beendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) erst beendet wird, wenn mindestens ein vorgegebener Zustandsparameter des Heizgeräts (1) oder einen daran angeschlossenen Wasserkreislauf (13) einen Zielwert erreicht.
  11. Heizgerät (1) mit einer Brennstoffarmatur (3), einer Fördereinrichtung (5), einem einstellbaren Drosselventil (8) und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 ausführen.
  12. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Heizgerät (1) des Anspruchs 11 die Verfahrensschritte einem der Ansprüche 7 bis 10 ausführt.
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