EP4411224A1 - Verfahren zum betreiben eines heizgerätes, computerprogramm, regel- und steuergerät und heizgerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines heizgerätes, computerprogramm, regel- und steuergerät und heizgerät Download PDF

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Publication number
EP4411224A1
EP4411224A1 EP24153104.5A EP24153104A EP4411224A1 EP 4411224 A1 EP4411224 A1 EP 4411224A1 EP 24153104 A EP24153104 A EP 24153104A EP 4411224 A1 EP4411224 A1 EP 4411224A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
parameter
heating device
burner
flame
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP24153104.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Hahn
Tim Nettingsmeier
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 EP4411224A1 publication Critical patent/EP4411224A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/28—Fail safe preventing flash-back or blow-back

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heating device, a computer program, a regulating and control device and a heating device.
  • a large number of heating devices which burn a mixture of a fuel, in particular gas or hydrogen, and ambient air in a combustion chamber in order to generate heat to supply a building or to provide hot water.
  • a flashback is the spread of a flame from the burner in the direction of a mixture feed of the heater, causing considerable noise pollution and can also lead to damage to the heater, for example to a conveyor device (a fan).
  • a flashback also indicates inefficient operation of the heater, which increases the risk of unburned fuel gas being emitted.
  • the very robust possibility of flame monitoring by detecting an ionization current of the flame during the combustion of hydrogen is not or only very limitedly applicable, since a hydrogen flame has too low a number of charge carriers. Therefore, other sensors are used for flame monitoring and combustion control, such as optical sensors (for example UV (ultraviolet) sensors to detect the UV radiation emitted by the flame or temperature sensors to detect the temperature of the flame.
  • optical sensors for example UV (ultraviolet) sensors to detect the UV radiation emitted by the flame
  • temperature sensors to detect the temperature of the flame.
  • the disadvantage of such sensors is that they usually have a sensor drift, which can occur due to age. Last but not least, with a temperature sensor or an optical sensor there is the problem of possible influence by contamination.
  • flame arresters can be used, which often cover the available flow cross-section, especially in the area between the burner and the mixture supply, and cannot be penetrated by a flame.
  • a heater with such a flame arrester is used, for example, in the DE10 2020 125 351 A1
  • flame arresters can only prevent a mechanical effect of a flashback on the heater, whereas the cause of the flashback and the associated disadvantages such as inefficient operation of the heater and possible leakage of unburned fuel gas cannot be identified or remedied.
  • the object of the invention is to propose a method for operating a heating device, a computer program, a control and regulating device, a heating device and a use that at least partially overcome the problems of the prior art described.
  • the invention is intended to support the safe operation of a heating device and in particular to help identify operating conditions that favor the occurrence of a flashback.
  • the method should be suitable for being carried out at least partially automatically and require as few structural changes as possible compared to a state-of-the-art heating device.
  • Steps a), b) and c) can be carried out at least once in the order given.
  • steps b) and c) can be carried out in parallel or simultaneously or step b) can be carried out before step a).
  • the execution of a The method proposed here can be carried out at regular intervals, in particular during operation of the heater, in particular during static operation.
  • the heating device can comprise at least one heat generator, in particular a gas condensing boiler, which releases heat energy by burning a fuel and can transfer it to a heating circuit via at least one heat exchanger, wherein consumers of the heating circuit can be connected to the heating device via a flow and a return.
  • the exhaust gases produced during combustion can be fed to an exhaust system via an exhaust duct of the heating device.
  • a circulation pump can be set up in the heating circuit to circulate a heat transfer medium (heating water), wherein heat transfer medium heated via a heating flow can be fed to consumers, such as convectors or surface heating systems, and can be returned to the heat generator or the at least one heat exchanger via a heating return.
  • the heater can have a conveying device, in particular a fan, which can supply a mixture of combustion air and fuel (hydrogen) to a burner of the heater.
  • the conveying device can comprise a power control, in particular a speed controller.
  • the heater can form a pneumatic gas-air connection in which a mass flow of combustion air is added to a mass flow of combustion gas provided via a gas supply in accordance with a negative pressure (control pressure) of a throttle point, such as a Venturi nozzle, so that a predefined (predetermined) combustion air ratio (air ratio, lambda) can be established.
  • a method proposed here can be used with a heater with a pneumatic gas-air connection, whereby there can be an option to reduce the combustion air ratio at least briefly, for example by means of a throttle valve.
  • the heater can alternatively have an electronic gas-air connection in which a signal A flame monitor can be used to draw conclusions about the flames and the combustion air ratio (also known as lambda or air ratio), so that it can be regulated.
  • the heater can be designed in particular to burn hydrogen as a fuel or a mixture containing hydrogen.
  • the mixture can have a hydrogen content of at least 80% or at least 90%.
  • the heater can also have a flame monitor.
  • An ionization electrode is often used for this purpose, which can use an ionization current from the flame to detect it.
  • this principle cannot be used robustly with a hydrogen flame, since significantly fewer free charge carriers are created when hydrogen is burned.
  • Other methods are therefore often used in hydrogen-powered heaters, such as detecting the electromagnetic radiation emitted by the flame, in particular infrared (IR) and/or UV (ultraviolet) radiation, or detecting the flame temperature.
  • the flame temperature can be detected using a suitably positioned temperature sensor, in particular a PTC (Positive Temperature Coefficient Thermistor) sensor or a hot surface igniter (HSI).
  • a signal from a flame monitor can indicate the presence of a flame, as well as allow a conclusion to be drawn about the combustion air ratio of the combustion and thus enable it to be regulated.
  • the burner can comprise at least one flat perforated plate or a perforated plate in a cylindrical shape, which is arranged between a burner cavity and the combustion chamber.
  • the burner cavity can be connected to the mixture channel in such a way that combustion mixture can flow from the mixture channel through the burner cavity, exit from the perforated plate and be burned there.
  • an ignition device can be arranged in the area of the perforated plate, designed to ignite a combustion mixture exiting through the perforated plate. Mass flow to ignite combustion mixture.
  • the burner can be arranged on a burner door of a combustion chamber of the heater. The burner door can have a flow opening that can connect the mixture channel of the heater with the burner cavity.
  • a cylindrical burner can have a flange for attachment to the burner door, which can be connected to the burner door by means of a screw connection, for example.
  • a seal for example a high-temperature stable graphite seal, is usually arranged between the burner and the burner door.
  • the burner can comprise (at least) one flame arrester, which is designed and arranged in the burner cavity in such a way that combustion mixture flowing to the perforated plate must penetrate the flame arrester.
  • the flame arrester can cover the entire existing flow cross-section in the burner cavity, so that combustion mixture flowing to the perforated plate must penetrate the flame arrester.
  • the flame arrester in the case of a burner designed in a cylindrical shape, can also be designed in a cylindrical shape with a largely constant distance from the perforated plate.
  • the flame arrester can also be designed flat and level and arranged at a distance from the perforated plate in the burner cavity.
  • the heater can have a device for detecting a flashback between the perforated plate and the flame arrester.
  • a temperature sensor can be arranged between the burner and the flame arrester, whereby a (sudden) increase in temperature can indicate a flashback.
  • a pressure sensor between the flame arrester and the burner can detect a (sudden) increase in pressure, which can indicate a flashback.
  • Optical or acoustic sensors between the burner and the flame arrester are also conceivable, which can detect, for example, emitted UV (ultraviolet) radiation or sound waves, the occurrence of which between the burner and the flame arrester can indicate a flashback.
  • a control variable of the combustion control can be changed, which causes a reduction in the combustion air ratio of the combustion, and the combustion parameter can be recorded.
  • a setpoint value of the control variable of the Combustion control can take place, whereby the controlled variable can correlate with the temperature of the flame of the heater or is the flame temperature itself.
  • Changing the controlled variable can cause a reduction in the combustion air ratio (lambda, air ratio), i.e. an increase in the proportion of fuel gas in the combustion mixture fed to the burner.
  • the combustion control will then attempt to (re)adjust the changed controlled variable.
  • the flame temperature would have to increase if the combustion had a combustion air ratio of significantly greater than 1 (usually in a range between 1.4 and 2.0) in a desired (safe) range before step a) was carried out and shifted towards 1.0 as a result of the change.
  • the combustion parameter is recorded, which allows a conclusion to be drawn about the temperature of the flame.
  • the combustion control will increase the added mass flow of fuel gas and for this purpose open the gas valve further.
  • the change in the controlled variable can be carried out by changing the combustion parameter as a controlled variable.
  • the controlled variable can be increased (briefly) and at least one combustion parameter can be recorded.
  • the controlled variable can be changed in such a way that a critical state of the heater can be largely ruled out when attempting to regulate the changed controlled variable.
  • the change in the controlled variable is selected in such a way that it can be regulated in a regularly operated heater without the heater reaching a critical operating state.
  • An example of a change in the controlled variable can cause the temperature of the flame to increase from 800 °C [degrees Celsius] to 900 °C in a hydrogen-powered heater.
  • the controlled variable which reduces the combustion air ratio of the combustion and thus increases the temperature of the flame, the combustion air ratio can be determined before the controlled variable is changed. If it is possible to adjust the changed controlled variable, it can be assumed that the combustion air ratio was correctly assumed by the combustion control of the heater.
  • the changed controlled variable cannot be adjusted and a maximum of the combustion parameter (and thus a maximum of the flame temperature) occurs before the changed controlled variable is reached, it can be assumed that the real (actual) combustion air ratio is lower than that assumed by the combustion control (based on the combustion parameter).
  • Specified reference data of the heater and/or operating data of the heater can also be used to determine a suitable change in the controlled variable.
  • the reference data can indicate a critical combustion air ratio, i.e. a combustion air ratio at which a flashback can occur with sufficient probability, possibly based on operating data of the heater, such as (current) output.
  • a critical combustion air ratio i.e. a combustion air ratio at which a flashback can occur with sufficient probability
  • changing the controlled variable in step a) can result in a reduction in the combustion air ratio to a range of 1.15 to 1.25 or an increase in the temperature of the flame on the burner to a range of 1000 degrees Celsius [°C] to 1200 °C.
  • the combustion parameter can be detected by means of a flame monitoring sensor of the heater, in particular by means of a UV (ultraviolet) and/or a temperature sensor, which are designed and positioned to to detect the UV radiation emitted by the flame or its temperature.
  • the temperature sensor can in particular be a resistance-based temperature sensor, a PTC sensor and/or a hot surface igniter (HSI).
  • one of the combustion parameters can also be recorded or derived from existing operating data.
  • a performance parameter can be recorded that allows a conclusion to be drawn about the performance of the heater.
  • a combustion air ratio of greater than 1.0 ⁇ >1.0
  • Recording the performance of the heater can therefore be used to determine the increase in the setpoint and to determine safe operation in step c).
  • the performance parameter can be an operating parameter of the conveyor device of the heater.
  • the operating parameter can be a signal from the conveyor device that allows a conclusion to be drawn about a conveyed mass flow.
  • the operating parameter can be a speed of a conveyor device designed as a fan.
  • Heaters often have a control of the performance of the conveyor device. In such heaters, a control signal from the speed control can also be used.
  • the control signal can be, for example, a pulse width modulated (PWM) signal.
  • PWM pulse width modulated
  • a combustion air flow rate detected by a flow sensor can also be used to detect the power in step b).
  • a successful process implementation can be determined if, regardless of the performance of the heater, the defined change of the controlled variable according to step a) (for example a reduction of the lambda) occurs without detection of a maximum of the combustion parameter and without detection of a flashback.
  • the defined change of the controlled variable according to step a) for example a reduction of the lambda
  • An unsuccessful process execution can be recognized in a power range above the range in which flashbacks are likely by reaching a maximum of the combustion parameter (temperature maximum despite further lowering of the lambda). If a process is carried out in a power range in which flashbacks are (sufficiently) likely, an unsuccessful process execution can be recognized by a flashback. If a flame arrester is present and functioning, the occurrence of a flashback is not critical for the heater and does not pose a hazard.
  • the inclusion of the recorded power of the heater can, if necessary, prevent a change in the control variable in step a) from leading to a critical state of the heater and the high probability of a flashback occurring at low heater powers in conjunction with a combustion air ratio of greater than 1 (which is not critical in higher power ranges) can be taken into account.
  • a method proposed here can help to generally prevent critical states when operating the heater in low power ranges, in particular when carrying out step a), a change in the control variable that causes a reduction in the combustion air ratio and thus an increase in the temperature of the flame.
  • a calibration process of a sensor set up to detect the combustion parameter can be initiated.
  • the sensor can in particular be a flame monitoring sensor and/or a UV sensor or a temperature sensor.
  • calibration can be carried out by comparing a temperature signal with the signal (or a detected temperature) on the flow or return of a heating circuit connected to the heater when the burner is switched off.
  • a mass flow (combustion air, fuel or a mixture of both) can also characterize a volume flow and vice versa.
  • a mass flow can easily be converted into a volume flow and vice versa if the density and temperature of the medium are known.
  • step c) information on this can be displayed via a display device (external or integrated into the heater) and/or a network, in particular the Internet, can be made available for retrieval and/or sent as a message.
  • the information can be made available for retrieval on an appliance interface of the heater or on a network storage device (cloud).
  • a user/operator of the heater and/or a specialist company can advantageously be informed by a message about the implementation of a method proposed here and the specialist company can, if necessary, plan and carry out an appointment for maintenance and/or repair accordingly. In particular, this can bring about a rapid termination of a fault condition in the heater.
  • the information can also relate to an initiated calibration process of the sensor for recording the combustion parameter.
  • a control and regulating device for a heating device is also proposed, set up to carry out a method proposed here.
  • the control and regulating 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 memory (of the control and regulating device).
  • the control and regulating device can for this purpose be electrically connected in particular to a conveying device, possibly a flow sensor for detecting a flow rate of combustion air, and a sensor for detecting a combustion parameter, for example a flame monitor of the heating device.
  • a memory of the control and regulating device can store and control unit, data recorded or required in the context of carrying out a procedure proposed here, for example reference data of the heater and/or a limit output.
  • a heating device comprising a burner, a conveying device, designed to supply a mixture of fuel gas and combustion air to the burner and a sensor for detecting a combustion parameter, which allows a conclusion to be drawn about a temperature of a flame on the burner, as well as means which are adapted in such a way that they can carry out a method proposed here.
  • the heating device can be a gas heating device, in particular a hydrogen-operated gas heating device.
  • a computer program is also proposed which is set up to (at least partially) carry out a method presented here.
  • this relates in particular to a computer program (product) comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out a method proposed here.
  • the computer program can in particular be executed on a control and regulating device of the heating device and cause a heating device proposed here 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 carrier.
  • a method for operating a heater, a computer program, a control and regulating device and a heater are therefore specified here, which at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • the method for operating a heater, the computer program, the control and regulating device and the heater at least contribute to enabling safe operation of a heater, in particular in the case of a hydrogen-powered heater.
  • a further advantage is that a method proposed here can be carried out entirely by computer and therefore does not require any structural changes to a heater. If necessary, a method proposed here makes it possible to detect a sensor drift of a sensor for detecting a combustion parameter and to counteract this by initiating a calibration process.
  • Fig.1 shows an example and schematically a sequence of a method proposed here.
  • the execution of steps a), b) and c) shown with blocks 110, 120 and 130 can be carried out at least once in the order given in a regular method sequence.
  • the method serves to ensure safe operation of the heating device 1, in particular when operated with hydrogen or with a hydrogen-containing mixture as fuel.
  • the method also enables verification of a signal from a sensor for detecting a combustion parameter of the heating device 1.
  • Fig. 2 shows, by way of example and schematically, a heating device 1 proposed here.
  • This can comprise a burner 3 arranged in a combustion chamber 8.
  • Combustion air can be sucked in by a conveying device 2, in particular designed as a fan, via a combustion air supply 4, in which a flow sensor 12 can be arranged.
  • the conveying device 2 can be connected to a speed controller 6, which can regulate a speed n of the conveying device 2 by means of a pulse width modulated (PWM) signal.
  • a gas valve 5 can add combustion gas from a gas supply 14 to the sucked-in air mass flow of combustion air and comprise a safety valve and a gas control valve for controlling the mass flow of combustion gas to be added.
  • the mixture of combustion gas and combustion air produced can flow to the burner 3 via a mixture channel 11.
  • the burner 3 can have a cylindrical shape, which can be attached with a base to a burner door 15 in such a way that combustion mixture can flow from the mixture channel into the burner 3.
  • the combustion products can be discharged to the outside via an exhaust pipe 9 of the heater and an exhaust system 10.
  • the heating device 1 proposed here can be designed in particular for the combustion of hydrogen.
  • the heating device 1 can have a sensor 13 arranged on/or in a burner door for detecting a combustion parameter, which can be designed here as a sensor for UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame or also as a temperature sensor.
  • a control and regulating device 7 can be set up to regulate the heating device 1. For this purpose, it can be electrically connected, for example, to the speed controller 6, the conveyor device 2, the gas valve 5, the sensor 13, a network 16 (Internet) and a display device 15.
  • the control and regulating device 7 can be set up to carry out a method proposed here.
  • a control variable of the combustion control can be changed, which causes a reduction in the combustion air ratio ⁇ and thus an increase in the temperature T F of the flame, and a temporal progression of the combustion parameter can be recorded.
  • the combustion parameter can be recorded using the sensor 13, the signal of which enables a conclusion to be drawn about a temperature of the flame on the burner 3.
  • the control variable can be changed by the regulating and control device 7, which is set up to carry out a method proposed here.
  • a combustion control can be used which uses the signal from the sensor 13 to set a temperature T F of the flame on the burner 3 that corresponds to a desired combustion air ratio ⁇ .
  • a performance parameter can be recorded that allows a conclusion to be drawn about the performance of the heater (1).
  • This step b) can also be carried out by the control unit 7.
  • the performance parameter is as in the Fig. 3 and 4 visible a speed n of the conveyor device 2.
  • Fig. 3 and 4 show parameter curves that can occur when carrying out a method proposed here, or after carrying out steps a) (block 110) and b) (block 120).
  • a first temperature profile 17 and a second temperature profile 18 are shown, which can occur when a method proposed here is carried out.
  • the first temperature profile 17 corresponds to regular operation of the heating device 1 and the second temperature profile 18 can occur when a method proposed here is carried out.
  • the second temperature profile 18 shows the maximum temperature that can occur when the method is carried out.
  • a first profile 19 and a second profile 20 of the combustion air ratio are shown, whereby the first profile 19 can correspond to regular operation of the heating device 1 and the second profile 20 indicates the minimum combustion air ratio ⁇ that can occur when a method proposed here is carried out.
  • the speed n in rpm [revolutions per minute] the temperature of the flame T F in °C [degrees Celsius] detected by the sensor 13 and the combustion air ratio ⁇ are given dimensionlessly.
  • a determination of safe operation of the heating device 1 can be made based on the recorded combustion parameter and the performance parameter.
  • An example of a recorded combustion parameter is the temperature curve 18, which indicates a temperature of the flame on the burner 3.
  • a safe operation of the heater 1 can be determined, since neither the limit power 22 nor the limit of the combustion air ratio 21 are affected by the second temperature curve 18 or the second curve 20 of the combustion air ratio ⁇ , rather a sufficient distance between the mentioned sizes can be determined in the figure.
  • the sensor 13 is subject to Fig.3 no sensor rift.
  • Fig.4 shows the diagram according to Fig.3 for a sensor 13 with a sensor drift. It is clearly visible that the limit power 22 and the second curve 20 of the combustion air ratio run largely parallel, which can indicate a high risk of flashback. In addition, the limit of the combustion air ratio 21 is reached and exceeded by the second curve 20 of the combustion air ratio at approx. 5000 rpm. As a result, the implementation of a method proposed here in Fig.4 show that the operation of heater 1 is not safe.
  • a calibration process of the sensor 13 can be carried out by the control unit 7 of the heater 1.
  • information about the result of the implementation of the method can be displayed or transmitted via the display device 15 and/or the network 16.
  • first primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, and in particular do not necessarily specify a dependency and/or sequence of these objects, sizes or processes. If a dependency and/or sequence is required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described design. If a component can occur multiple times (“at least one"), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1) Das Heizgerät (1) umfasst eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Gemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3), und ein Regel- und Steuergerät (7) zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung einbeziehend einen Verbrennungsparameter, der einen Rückschluss auf eine Temperatur einer Flamme am Brenner (3) zulässt, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:a) Ändern einer Regelgröße der Verbrennungsregelung, die eine Minderung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung bewirkt, und Erfassen des Verbrennungsparameters,b) Erfassen eines Leistungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes (1) zulässt,c) Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes (1) anhand des erfassten Verbrennungsparameters und des Leistungsparameters.Zudem wird ein Regel- und Steuergerät (7), ein Heizgerät (1) sowie ein Computerprogramm vorgeschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät.
  • Es sind eine Vielzahl von Heizgeräten bekannt, die einen in einer Brennkammer ein Gemisch aus einem Brennstoff, insbesondere Gas oder Wasserstoff, und Umgebungsluft verbrennen, um Wärme zur Versorgung eines Gebäudes oder für eine Bereitstellung von Warmwasser zu gewinnen.
  • Durch eine zunehmende Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff steigt bei derartigen Heizgeräten das Risiko von Flammenrückschlägen. Eine Ursache hierfür liegt in der erheblich höheren Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff gegenüber anderen Brennstoffen begründet. Ein Flammenrückschlag bezeichnet eine Ausbreitung einer Flamme vom Brenner in Richtung einer Gemischzuführung des Heizgerätes und sorgt dabei für erhebliche Geräuschbelastung und kann auch zu einer Beschädigung des Heizgerätes, beispielsweise einer Fördereinrichtung (eines Gebläses), führen. Zudem zeigt ein Flammenrückschlag einen ineffizienten Betrieb des Heizgerätes an, bei dem ein erhöhtes Risiko einer Emission unverbrannten Brenngases besteht.
  • Zudem ist die sehr robust durchführbare Möglichkeit einer Flammenüberwachung mittels Erfassen eines lonisationsstromes der Flamme bei der Verbrennung von Wasserstoff nicht oder nur sehr eingeschränkt einsetzbar, da eine Wasserstoffflamme eine zu geringe Anzahl Ladungsträger freisetzt. Daher kommen zur Flammenüberwachung sowie für die Verbrennungsregelung andere Sensoren zum Einsatz, wie beispielsweise optische Sensoren (zum Beispiel UV- (Ultraviolett-) Sensoren zum Erfassen der von der Flamme emittierten UV-Strahlung oder auch Temperatursensoren, zum Erfassen einer Temperatur der Flamme. Nachteilig weisen derartige Sensoren in der Regel einen Sensordrift auf, der altersbedingt eintreten kann. Nicht zuletzt besteht bei einem Temperatursensor bzw. einem optischen Sensor das Problem einer möglichen Beeinflussung durch Verschmutzung.
  • Um Flammenrückschläge zu verhindern können Flammensperren eingesetzt werden, die häufig den verfügbaren Strömungsquerschnitt, insbesondere eines Bereiches zwischen Brenner und Gemischzuführung überdecken und von einer Flamme nicht durchdrungen werden können. Ein Heizgerät mit einer derartigen Flammensperre wird beispielsweise in der DE10 2020 125 351 A1 vorgestellt. Flammensperren können jedoch nur eine mechanische Auswirkung eines Flammenrückschlages auf das Heizgerät verhindern, hingegen kann eine Ursache des Flammenrückschlages und damit Nachteile wie ein ineffizienter Betrieb des Heizgerätes und möglicherweise austretendes unverbranntes Brenngas nicht erkannt bzw. behoben werden.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, ein Heizgerät sowie eine Verwendung vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. Insbesondere soll die Erfindung einen sicheren Betrieb eines Heizgerätes unterstützen und insbesondere Betriebszustände zu erkennen helfen, die ein Auftreten eines Flammenrückschlages begünstigen.
  • Zudem soll das Verfahren dazu geeignet sein, zumindest teilweise, automatisiert durchgeführt zu werden und möglichst geringe bauliche Veränderungen gegenüber einem Heizgerät nach dem Stand der Technik erfordern.
  • 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.
  • Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes bei. Das Heizgerät umfasst eine Fördereinrichtung zum Fördern eines Gemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner, und ein Regel- und Steuergerät zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung einbeziehend einen vorbestimmten Verbrennungsparameter, der einen Rückschluss auf eine Temperatur einer Flamme am Brenner zulässt, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
    1. a) Ändern einer Regelgröße der Verbrennungsregelung, die eine Absenkung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung bewirkt, und Erfassen des Verbrennungsparameters,
    2. b) Erfassen eines Leistungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes zulässt,
    3. c) Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes anhand des erfassten Verbrennungsparameters und des Leistungsparameters.
  • Die Schritte a), b) und c) können dabei mindesten einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Insbesondere können die Schritte und b) parallel bzw. simultan oder auch der Schritt b) vor dem Schritt a) durchgeführt werden. Die Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens kann insbesondere während eines Betriebes des Heizgerätes, insbesondere während eines statischen Betriebes, in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgen.
  • Das Heizgerät kann zumindest einen Wärmeerzeuger, insbesondere einen Gas-Brennwertkessel, umfassen, der durch Verbrennung eines Brennstoffes Wärmeenergie freisetzt und über mindestens einen Wärmetauscher auf einen Heizkreis übertragen kann, wobei Verbraucher des Heizkreises über einen Vorlauf und einen Rücklauf an das Heizgerät anschließbar sind. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase können über einem Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden. Im Heizgerät kann im Heizkreislauf eine Umwälzpumpe dazu eingerichtet sein, ein Wärmeträgermedium (Heizungswasser) umzuwälzen, wobei über einen Heizungsvorlauf erwärmtes Wärmeträgermedium Verbrauchern, wie Konvektoren oder Flächenheizungen, zugeführt und über einen Heizungsrücklauf zum Wärmeerzeuger bzw. dem mindestens einen Wärmetauscher rückgeführt werden kann.
  • Hierzu kann das Heizgerät eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, aufweisen, das ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff (Wasserstoff) einem Brenner des Heizgerätes zuführen kann. Die Fördereinrichtung kann dabei eine Leistungsregelung umfassen, insbesondere einen Drehzahlregler. Das Heizgerät kann dabei einen pneumatischen Gas-Luftverbund bilden, bei dem einem Massestrom Verbrennungsluft entsprechend einem Unterdruck (Steuerdruck) einer Drosselstelle, wie einer Venturidüse, ein über eine Gaszuführung bereitgestellter Massestrom Brenngas zugesetzt wird, so dass sich ein vordefiniertes (vorgegebenes) Verbrennungsluftverhältnis (Luftzahl, Lambda) einstellen kann. Ein hier vorgeschlagenes Verfahren kann mit einem Heizgerät mit pneumatischen Gas-Luftverbund eingesetzt werden, wobei eine Möglichkeit zumindest kurzzeitig das Verbrennungsluftverhältnis zu senken, beispielsweise mittels einer Drosselklappe, vorhanden sein kann. Das Heizgerät kann alternativ einen elektronischen Gas Luftverbund aufweisen, bei dem anhand eines Signals einer Flammenüberwachung ein Rückschluss auf die Flammen und das Verbrennungsluftverhältnis (auch als Lambda oder Luftzahl bezeichnet) erfolgen kann, so dass eine Regelung desselben ermöglicht wird. Das Heizgerät kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff als Brennstoff oder einem Gemisch enthaltend Wasserstoff eingerichtet sein. Das Gemisch kann dabei einen Gehalt von mindestens 80% oder mindestens 90% Wasserstoff aufweisen.
  • Zudem kann das Heizgerät eine Flammenüberwachung aufweisen. Häufig kommt hierzu eine lonisationselektrode zum Einsatz, die einen lonisationsstrom der Flamme zum Feststellen derselben nutzen kann. Dieses Prinzip ist jedoch bei einer Wasserstoffflamme, nicht robust einsetzbar, da bei der Verbrennung von Wasserstoff erheblich weniger freie Ladungsträger entstehen. Häufig kommen daher bei mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräten andere Verfahren, wie beispielsweise ein Erfassen der von der Flamme emittierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Infrarot- (IR-) und/oder UV- (Ultraviolett-) Strahlung oder ein Erfassen der Flammentemperatur zum Einsatz. Die Flammentemperatur kann dabei mittels eines geeignet positionierten Temperatursensors erfasst werden, insbesondere eines PTC- (Positive Temperature Coefficient Thermistor) Sensors oder eines Glühzünders (Hot-Surface-Ignitor (HSI) erfolgen. Ein Signal einer Flammenüberwachung kann dabei das Vorhandensein einer Flamme anzeigen, sowie ein Rückschluss auf ein Verbrennungsluftverhältnis der Verbrennung und damit eine Regelung desselben ermöglichen.
  • Der Brenner kann mindestens ein flaches Lochblech oder ein Lochblech in Zylinderform umfassen, das zwischen einem Brennerhohlraum und der Brennkammer angeordnet ist. Der Brennerhohlraum kann derart mit dem Gemischkanal verbunden sein, dass Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal durch den Brennerhohlraum strömen, aus dem Lochblech austreten und dort verbrannt werden kann. Im Bereich des Lochbleches kann zudem eine Zündeinrichtung angeordnet sein, dazu eingerichtet, einen durch das Lochblech austretenden Massestrom Verbrennungsgemisch zu entzünden. Der Brenner kann an einer Brennertür einer Brennkammer des Heizgerätes angeordnet sein. Die Brennertür kann eine Durchströmungsöffnung aufweisen, die den Gemischkanal des Heizgerätes mit dem Brennerhohlraum verbinden kann. Ein Brenner in Zylinderform kann zur Befestigung an der Brennertür einen Flansch aufweisen, der beispielsweise mittels einer Schraubverbindung mit der Brennertür verbunden werden kann. Zwischen Brenner und Brennertür ist in der Regel noch eine Dichtung, beispielsweise eine hochtemperaturstabile Graphit- Dichtung angeordnet.
  • Der Brenner kann (mindestens) eine Flammensperre umfassen, die derart im Brennerhohlraum ausgebildet und angeordnet ist, dass zum Lochblech strömendes Verbrennungsgemisch die Flammensperre durchdringen muss. Mit anderen Worten kann die Flammensperre den gesamten vorhandenen Strömungsquerschnitt im Brennerhohlraum abdecken, so dass zum Lochblech strömendes Verbrennungsgemisch die Flammensperre durchdringen muss. So kann beispielhaft bei einem in einer Zylinderform ausgebildeten Brenner die Flammensperre gleichfalls in Zylinderform mit weitestgehend konstantem Abstand zum Lochblech ausgebildet sein. Bei einem flachen (ebenen) Lochblech kann entsprechend die Flammensperre gleichfalls flach und eben ausgebildet sein und beabstandet zum Lochblech im Brennerhohlraum angeordnet sein.
  • Die Flammensperre kann (Mikro-)Kanäle (z.B. mit einem Kanalquerschnitt kleiner 1/100 oder kleiner 1/1.000 oder sogar kleiner 1/10.000 des Leitungsquerschnitts selbst), Porensysteme, oder Wabenstrukturen etc. im Inneren ausbilden, die allein ein Durchströmen von Brenngas durch deren Querschnitt zulassen. Die Kanaldichte bzw. Porosität der Flammensperre kann an die Strömung bzw. das Brenngas angepasst sein. "Kanäle" in diesem Sinne sind insbesondere Strömungspfade für das Verbrennungsgemisch durch die Flammensperre, also Strömungspfade, die sich von einer (dem Gemischkanal zugewandten) Eintrittsseite zu einer gegenüberliegenden (dem Lochblech zugewandten) Austrittseite erstrecken. Die Kanäle können einen geraden bzw. gerichteten (schrägen, gewundenen, etc.) Verlauf haben. Ist die Flammsperre mit einer Porosität ausgeführt, versteht man hierunter insbesondere die (unregelmäßige) Ausbildung von miteinander verbundenen Poren, die ebenfalls ein Durchströmen von der Eintrittsseite zu der gegenüberliegenden Austrittseite zulassen. Geeignete Materialien oder Halbzeuge für die Flammensperre sind nachfolgend beispielhaft genannt:
    • offenporige (offenzellige) Keramik- oder Metallschäume,
    • Streckmetalle, insbesondere mehrlagig und/ oder gesintert,
    • Drahtgewebe, insbesondere mehrlagig,
    • Fasermatten, gegebenenfalls gesintert,
    • (entsprechend hochtemperaturbeständiges) Vliese.
  • Zudem kann das Heizgerät zwischen dem Lochblech und der Flammensperre eine Einrichtung zum Erfassen eines Flammenrückschlages aufweisen. Hierzu kann beispielsweise ein Temperatursensor zwischen Brenner und Flammensperre angeordnet sein, wobei eine (schlagartig) ansteigende Temperatur einen Flammenrückschlag anzeigen kann. Alternativ oder kumulativ kann ein Drucksensor zwischen Flammensperre und Brenner einen (schlagartigen) Druckanstieg feststellen, der auf einen Flammenrückschlag hinweisen kann. Auch sind optische oder akustische Sensoren zwischen Brenner und Flammensperre denkbar, die beispielsweise emittierte UV (Ultraviolett-) Strahlung oder Schallwellen feststellen könn, deren auftreten zwischen Brenner und Flammensperre einen Flammenrückschlag anzeigen kann.
  • Gemäß einem Schritt a) kann ein Ändern einer Regelgröße der Verbrennungsregelung erfolgen, die eine Minderung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung bewirkt, und Erfassen des Verbrennungsparameters. Es kann eine Sollwertvorgabe der Regelgröße der Verbrennungsregelung erfolgen, wobei die Regelgröße mit der Temperatur der Flamme des Heizgerätes korrelieren kann bzw. die Flammentemperatur selbst ist. Das Ändern der Regelgröße kann ein Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses (Lambda, Luftzahl) bewirken, also eine Steigerung des Anteils Brenngas in dem, dem Brenner zugeführten, Verbrennungsgemisch. Damit wird die Verbrennungsregelung versuchen, die geänderte Regelgröße (neu) einzuregeln. Hierbei müsste sich die Flammentemperatur erhöhen, wenn die Verbrennung vor der Durchführung des Schrittes a) in einem gewünschten (sicheren) Bereich ein Verbrennungsluftverhältnis von deutlich größer 1 (in der Regel in einem Bereich zwischen 1,4 und 2,0) und sich durch die Änderung in Richtung 1,0 verlagert. Hierzu wird der Verbrennungsparameter erfasst, der einen Rückschluss auf die Temperatur der Flamme zulässt. Die Verbrennungsregelung wird, um die Änderung der Regelgröße umzusetzen, den zugesetzten Massestrom Brenngas steigern und hierfür eine das Gasventil weiter öffnen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann das Ändern der Regelgröße ein Ändern des Verbrennungsparameters als Regelgröße erfolgen. Insbesondere kann hierzu (kurzzeitig) die Regelgröße erhöht und mindestens ein Verbrennungsparameter erfasst werden.
  • Die Regelgröße kann dabei derart geändert werden, dass ein kritischer Zustand des Heizgerätes bei dem Versuch die geänderte Regelgröße einzuregeln, weitestgehend ausgeschlossen werden kann. Mit anderen Worten wird die Änderung der Regelgröße derart gewählt, dass diese bei einem regulär betriebenen Heizgerät eingeregelt werden kann, ohne dass das Heizgerät einen kritischen Betriebszustand erreicht. Ein Beispiel für eine Änderung der Regelgröße kann eine Erhöhung der Temperatur der Flamme von 800 °C [Grad Celsius] auf 900 °C in einem mit wasserstoffbetriebenem Heizgerät bewirken.
  • Ein Ändern der Regelgröße und in Folge der Flammentemperatur ermöglicht einen Rückschluss auf das aktuelle (Ist-)Verbrennungsluftverhältnis der Verbrennung am Brenner. So wird bei einem regulären Betrieb die Verbrennungsregelung auf ein Lambda größer eins geregelt, häufig einen Bereich zwischen 1,3 und 2,0. Ein Maximum der Temperatur der Flamme des Heizgerätes ist im Bereich von λ = 1,0 zu erwarten. Somit kann mittels eines Änderns der Regelgröße, die ein Mindern des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung und damit eine Erhöhung der Temperatur der Flamme bewirkt, das Verbrennungsluftverhältnis vor dem Ändern der Regelgröße ermittelt werden. So kann, wenn es gelingt, die geänderte Regelgröße einzuregeln, von einer richtigen Annahme des Verbrennungsluftverhältnisses durch die Verbrennungsregelung des Heizgerätes ausgegangen werden. Sollte die geänderte Regelgröße nicht eingeregelt werden können und sich ein Maximum des Verbrennungsparameters (und damit ein Maximum der Temperatur der Flamme) vor dem Erreichen der geänderten Regelgröße einstellen, kann davon ausgegangen werden, dass das reale (Ist-)Verbrennungsluftverhältnis geringer ist, als von der Verbrennungsregelung (anhand des Verbrennungsparameters) angenommen.
  • In die Festlegung einer geeigneten Änderung der Regelgröße können zudem vorgegebene Referenzdaten des Heizgerätes und/oder Betriebsdaten des Heizgerätes, beispielsweise eine aktuelle Leistung desselben einfließen. Die Referenzdaten können ein kritisches Verbrennungsluftverhältnis, also ein Verbrennungsluftverhältnis, bei dem mit hinreichender Wahrscheinlichkeit ein Flammenrückschlag eintreten kann, angeben, gegebenenfalls bezogen auf Betriebsdaten des Heizgerätes, wie eine (aktuelle) Leistung. Beispielsweise kann ein Ändern der Regelgröße in Schritt a) einem Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses in einen Bereich von 1,15 bis 1,25 oder eine Erhöhung der Temperatur der Flamme am Brenner auf einen Bereich von 1000 Grad Celsius [°C] bis 1200 °C bewirken.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Verbrennungsparameter mittels eines Sensors einer Flammenüberwachung des Heizgerätes erfasst werden, insbesondere mittels eines UV-(Ultraviolett-)und/oder eines Temperatursensors, die dazu eingerichtet und positioniert sind, die von der Flamme emittierte UV-Strahlung bzw. deren Temperatur zu erfassen. Der Temperatursensor kann insbesondere ein widerstandsbasierter Temperatursensor, ein PTC-Sensor und/oder ein Glühzünder (Hot-Surface-Ignitor- HSI) sein.
  • Alternativ oder kumulativ kann auch ein der Verbrennungsparameter auch aus vorhandenen Betriebsdaten erfasst oder abgeleitet werden.
  • Gemäß einem Schritt b) kann ein Erfassen eines Leistungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes zulässt, erfolgen. So kann bei einem Betreiben des Heizgerätes mit geringer Leistung ein Verbrennungsluftverhältnis von größer 1,0 (λ>1,0) bereits kritisch sein und ein Flammenrückschlag auftreten. Ein Erfassen der Leistung des Heizgerätes kann somit in die Festlegung der Erhöhung der Sollwertvorgabe als auch in die Feststellung eines sicheren Betriebs in Schritt c) einfließen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Leistungsparameter ein Betriebsparameter der Fördereinrichtung des Heizgerätes sein. Der Betriebsparameter kann ein Signal der Fördereinrichtung sein, das einen Rückschluss auf einen geförderten Massestrom erlaubt, sein. Beispielsweise kann der Betriebsparameter eine Drehzahl einer als Gebläse ausgebildeten Fördereinrichtung sein. Häufig weisen Heizgeräte eine Regelung der Leistung der Fördereinrichtung auf. Bei derartigen Heizgeräten kann auch ein Steuersignal der Drehzahlregelung herangezogen werden. Das Steuersignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes (PWM-) Signal sein.
  • Alternativ oder kumulativ kann auch eine, von einem Durchflusssensor erfasste, Durchflussmenge Verbrennungsluft zum Erfassen der Leistung in Schritt b) genutzt werden.
  • Gemäß einem Schritt c) kann ein Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes anhand des erfassten Verbrennungsparameters und des Leistungsparameters erfolgen. Das Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes kann sich insbesondere auf folgende zwei Aspekte beziehen:
    1. i) Wenn die Verbrennungsregelung die Änderung der Regelgröße ausregeln konnte, also die in Schritt a) geänderte Regelgröße durch die Verbrennungsregelung erreicht wurde, kann davon ausgegangen werden, dass keine oder eine nur geringe Abweichung zwischen dem von der Verbrennungsregelung angenommenen und dem realen Verbrennungsluftverhältnis besteht. Zur Erläuterung nur beispielhaft kann eine Erhöhung der Flammentemperatur von 1000°C auf 1150°C (initiiert durch die Änderung der Verbrennungsregelung in Schritt a)) eine Änderung des Verbrennungsluftverhältnisses von λ=1,3 auf λ=1,25 bewirken. Sollte ein Maximum des Verbrennungsparameters erreicht werden, bevor die Änderung ausgeregelt werden konnte, kann dies ein Indiz dafür sein, dass das von der Verbrennungsregelung angenommene Verbrennungsluftverhältnis und/oder die angenommene Temperatur der Flamme zu niedrig ist. So kann ein Maximum der Temperatur einer Flamme regelmäßig bei einem Verbrennungsluftverhältnis von λ=1,0 auf, wodurch ein Fehler des angenommenen Verbrennungsluftverhältnisses zum Zeitpunkt des Erreichens des Maximums der Temperatur der Flamme bestimmt werden kann. Ein Grund für eine zu geringe angenommene Temperatur der Flamme könnte ein Sensordrift eines den Verbrennungsparameter erfassenden Sensors (UV- oder Temperatursensor) sein. Ein Sensordrift bezeichnet eine schleichende Veränderung des Signals eines Sensors, beispielsweise bedingt durch Alterung. Im Regelbetrieb des Heizgerätes würde ein Sensordrift somit zu einer permanenten Abweichung des Ist-Verbrennungsluftverhältnisses zu dem von der Regelung angenommen Verbrennungsluftverhältnis führen und damit ein Auftreten kritischer Zustände des Heizgerätes, eine Minderung der Effizienz der Verbrennung sowie ein Austreten von unverbranntem Brenngas begünstigen.
    2. ii) Zudem sollte für einen sicheren Betriebszustand die aktuell (in Schritt b)) erfasste Leistung des Heizgerätes oberhalb einer vorgegebenen Grenzleistung liegen (größer sein). Die Grenzleistung kann eine minimales Verbrennungsluftverhältnis in Abhängigkeit der Leistung des Heizgerätes angeben, bei dem mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit kein Flammenrückschlag auftreten kann. Die Grenzleistung kann in Form einer Funktion vorgegeben sein und im Vorfeld an einem Referenzheizgerät im Rahmen von (Labor-)versuchen ermittelt worden sein.
    3. iii) Es kann anhand des in Schritt b) erfassten Leistungsparameters ein Flammenrückschlag erkannt werden. Hierzu kann der Leistungsparameter ausgewertet werden, wobei ein kurzzeitiges Ansteigen (bei einer, in Durchströmungsrichtung des Heizgerätes gesehen, vor dem Brenner angeordneten Fördereinrichtung) oder Abfallen (bei einer, in Durchströmungsrichtung des Heizgerätes gesehen, hinter dem Brenner angeordneten Fördereinrichtung) des Leistungsparameters auf einen Flammenrückschlag bzw. einen damit verbundenen Druckstoß hinweisen kann. Insbesondere kann auf einen Flammenrückschlag geschlossen werden, wenn eine Flammenüberwachung (bzw. der Verbrennungsparameter) ein Erlöschen der Flamme ermittelt bzw. anzeigt. Sollte bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens ein Flammenrückschlag erkannt werden, kann die Verfahrensdurchführung abgebrochen werden und ggf. eine Kalibrierung eines Sensors zum Erfassen des Verbrennungsparameters eingeleitet werden. Alternativ oder kumulativ kann das Heizgerät abgeschaltet und/ oder in einen Fehlerzustand verbracht werden. Ein Flammenrückschlag kann in der Regel ein zu fettes Verbrennungsgemisch (also ein zu geringes Lambda) verursachen bzw. anzeigen. Falls vorhanden, kann in diesen Zusammenhang zum Erkennen eines Flammenrückschlages auch eine Einrichtung zum Erfassen eines Flammenrückschlages genutzt werden.
  • Zusammenfassend kann eine erfolgreiche Verfahrensdurchführung festgestellt werden, wenn unabhängig von der Leistung des Heizgerätes das definierte Ändern der Regelgröße gemäß Schritt a) (beispielhaft ein Absenken des Lambdas) ohne Detektion eines Maximums des Verbrennungsparameters und ohne Detektion eines Flammenrückschlages erfolgt.
  • Eine nicht erfolgreiche Verfahrensdurchführung kann in einem Leistungsbereich, oberhalb des Bereiches in dem Flammenrückschläge wahrscheinlich sind, durch Erreichen eines Maximums des Verbrennungsparameters (Temperaturmaximum trotz weiterem Absenken des Lambdas) erkannt werden. Bei einer Verfahrensdurchführung in einem Leistungsbereich, in dem Flammenrückschläge (ausreichend) wahrscheinlich sind, kann eine nicht erfolgreiche Verfahrensdurchführung an einem Flammenrückschlag erkannt werden. Bei einer vorhandenen und funktionierenden Flammensperre ist ein Auftreten eines Flammenrückschlages unkritisch für das Heizgerät und stellt keine Gefährdung dar.
  • Die Einbeziehung der erfassten Leistung des Heizgerätes kann hierbei gegebenenfalls verhindern, dass ein Ändern der Regelgröße in Schritt a) zu einem kritischen Zustand des Heizgerätes führt und auftretende hohe Wahrscheinlichkeiten eines Flammenrückschlages bei niedrigen Leistungen des Heizgerätes in Verbindung einem (in höheren Leistungsbereichen unkritischen) Verbrennungsluftverhältnis von größer 1 berücksichtigt werden. Ein hier vorgeschlagenes Verfahren kann dazu beitragen, allgemein kritische Zustände bei einem Betreiben in niedrigen Leistungsbereichen des Heizgerätes zu verhindern, insbesondere bei Durchführung des Schrittes a), einem Ändern der Regelgröße, die eine Minderung des Verbrennungsluftverhältnisses und damit eine Erhöhung der Temperatur der Flamme bewirkt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann bei einem fehlenden Erreichen der geänderten Regegröße in Schritt a) ein Kalibriervorgang eines Sensors, eingerichtet zum Erfassen des Verbrennungsparameters, initiiert werden. Der Sensor kann insbesondere ein Sensor einer Flammenüberwachung und/oder ein UV-Sensor oder ein Temperatursensor sein. Beispielhaft kann ein Kalibrieren erfolgen, indem ein Temperatursignal bei abgeschaltetem Brenner mit dem Signal (bzw. einer erfassten Temperatur) am Vorlauf oder Rücklauf eines mit dem Heizgerät verbundenen Heizkreises erfolgt.
  • In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass ein Massestrom (Verbrennungsluft, Brennstoff oder Gemisch aus beidem) auch einen Volumenstrom kennzeichnen kann und umgekehrt. So ist ein Massestrom in Kenntnis der Dichte und der Temperatur des Mediums einfach in einen Volumenstrom überführbar und umgekehrt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann bei einem fehlenden Feststellen eines sicheren Betriebs in Schritt c) eine Information hierzu über eine (externe oder ins Heizgerät integrierte) Anzeigeeinrichtung angezeigt und/oder ein Netzwerk, insbesondere dem Internet, zum Abruf bereitgestellt und/oder als Nachricht versandt werden. Beispielsweise kann die Information auf einem Appliance Interface des Heizgerätes oder auch auf einem Netzwerkspeicher (Cloud) zum Abruf bereitgestellt werden. Vorteilhaft kann so beispielsweise einem Nutzer/Betreiber des Heizgerätes und/oder einem Fachbetrieb eine Information über zu einer Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens durch eine Nachricht übermittelt werden und der Fachbetrieb kann gegebenenfalls einen Termin zur Wartung und/oder Reparatur entsprechend planen und durchführen. Insbesondere kann so eine schnelle Beendigung eines Fehlerzustandes des Heizgerätes herbeigeführt werden. Die Information kann sich dabei auch auf einen initiierten Kalibriervorgang des Sensors zur Erfassung des Verbrennungsparameters beziehen.
  • 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 Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. Das Regel- und Steuergerät kann hierfür insbesondere mit einer Fördereinrichtung, gegebenenfalls einem Durchflusssensor zum Erfassen einer Durchflussmenge Verbrennungsluft, und einem Sensor zum Erfassen eines Verbrennungsparameters, beispielsweise einer Flammenüberwachung des Heizgerätes elektrisch verbunden sein. Zudem können auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes im Rahmen der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens erfasste oder benötigte Daten hinterlegt werden, beispielsweise Referenzdaten des Heizgerätes und/ oder eine Grenzleistung.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend einen Brenner, eine Fördereinrichtung, dazu eingerichtet ein Gemisch von Brenngas und Verbrennungsluft dem Brenner zuzuführen und einen Sensor zum Erfassen eines Verbrennungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Temperatur einer Flamme am Brenner ermöglicht, sowie Mittel, die so angepasst sind, dass sie ein hier vorgeschlagenes Verfahren ausführen können. Bei dem Heizgerät kann es sich um ein Gasheizgerät, insbesondere um ein wasserstoffbetriebenes Gasheizgerät, handeln.
  • 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. Das Computerprogramm kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät des Heizgerätes durchgeführt werden und ein hier vorgeschlagenes Heizgerät dazu veranlassen ein hier vorgeschlagenes Verfahren durchzuführen.
  • 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.
  • Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogramm, dem Regel- und Steuergerät und dem Heizgerät auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Hier werden somit ein Verfahren zur Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, das Computerprogramm, das Regel- und Steuergerät sowie das Heizgerät zumindest dazu bei, einen sicheren Betrieb eines Heizgerätes, insbesondere bei einem wasserstoffbetriebenen Heizgerät, zu ermöglichen. Weiter vorteilhaft ist ein hier vorgeschlagenes Verfahren vollständig computerimplementiert durchführbar und erfordert somit keine baulichen Änderungen an einem Heizgerät. Gegebenenfalls ermöglicht ein hier vorgeschlagenes Verfahren einen Sensordrift eines Sensors zum Erfassen eines Verbrennungsparameters zu erkennen und diesem durch Initiieren eines Kalibriervorganges entgegenzuwirken.
  • 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 Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,
    Fig. 2:
    ein hier vorgeschlagenes Heizgerät, und
    Fig. 3 und 4:
    Parameterverläufe, die sich bei der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die mit Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Durchführung der Schritte a), b) und c) kann bei einem regulären Verfahrensablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren dient einem sicheren Betrieb des Heizgerätes 1, insbesondere, wenn mit Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gemisch als Brennstoff betriebenen. Das Verfahren ermöglich zudem eine Verifikation eines Signals eines Sensors zum Erfassen eines Verbrennungsparameters des Heizgerätes 1.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann einen in einer Brennkammer 8 angeordneten Brenner 3 umfassen. Über eine Zuführung Verbrennungsluft 4, in der ein Durchflusssensor 12 angeordnet sein kann, kann Verbrennungsluft durch eine Fördereinrichtung 2, insbesondere als Gebläse ausgebildet, angesaugt werden. Die Fördereinrichtung 2 kann mit einem Drehzahlregler 6 verbunden sein, der mittels eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals eine Drehzahl n der Fördereinrichtung 2 regeln kann. Ein Gasventil 5 kann dem angesaugten Luftmassenstrom Verbrennungsluft Brenngas aus einer Gaszuführung 14 zusetzen und ein Sicherheitsventil sowie ein Gasregelventil zur Steuerung des zuzusetzenden Massestromes Brenngas umfassen. Das erzeugte Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 11 zum Brenner 3 strömen. Der Brenner 3 kann eine Zylinderform aufweisen, die mit einer Grundfläche an einer Brennertür 15 derart befestigt sein kann, dass Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal in den Brenner 3 strömen kann. Die Verbrennungsprodukte können nach der Verbrennung über ein Abgasrohr 9 des Heizgerätes und eine Abgasanlage 10 nach Außen abgeleitet werden.
  • Das hier vorgeschlagenen Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet sein. Zudem kann das Heizgerät 1 einen, an/bzw. in einer Brennertür angeordneten, Sensor 13 zum Erfassen eines Verbrennungsparameters aufweisen, der hier als Sensor für von der Flamme emittierte UV- (Ultraviolett-) Strahlung oder auch als Temperatursensor ausgebildet sein kann.
  • Ein Regel- und Steuergerät 7 kann zur Regelung des Heizgerätes 1 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses beispielsweise mit dem Drehzahlregler 6, der Fördereinrichtung 2, dem Gasventil 5, dem Sensor 13, einem Netzwerk 16 (Internet) und einer Anzeigeeinrichtung 15 elektrisch verbunden sein. Das Regel- und Steuergerät 7 kann zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet sein.
  • In Block 110 kann gemäß Schritt a) ein Ändern einer Regelgröße der Verbrennungsregelung, die ein Mindern des Verbrennungsluftverhältnisses λ und damit eine Erhöhung der Temperatur TF der Flamme bewirkt, und ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufes des Verbrennungsparameters, erfolgen. Der Verbrennungsparameter kann vorliegend mit dem Sensor 13 erfasst werden, dessen Signal einen Rückschluss auf eine Temperatur der Flamme am Brenner 3 ermöglicht. Die Regegröße kann durch das Regel- und Steuergerät 7, das zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet ist, geändert werden. Hierzu kann eine Verbrennungsregelung, die mittels des Signals des Sensors 13 eine Temperatur TF der Flamme am Brenner 3 einstellt, die einem gewünschten Verbrennungsluftverhältnis λ entspricht.
  • In Block 120 kann gemäß Schritt b) ein Erfassen eines Leistungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes (1) zulässt, erfolgen. Auch dieser Schritt b) kann vom Regel- und Steuergerät 7 durchgeführt werden. Vorliegend ist der Leistungsparameter, wie in den Fig. 3 und 4 ersichtlich eine Drehzahl n der Fördereinrichtung 2.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können, bzw. nach Durchführung der Schritt a) (Block 110) und b) (Block 120). In Fig. 3 ist ein erster Temperaturverlauf 17 sowie ein zweiter Temperaturverlauf 18 gezeigt, der sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen kann. Dabei entspricht der erste Temperaturverlauf 17 einem regulären Betrieb des Heizgerätes 1 und der zweite Temperaturverlauf 18 kann sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen. Mit anderen Worten zeigt der zweite Temperaturverlauf 18 die maximale Temperatur, die sich bei der Durchführung des Verfahrens einstellen kann. Zudem werden ein erster Verlauf 19 und ein zweiter Verlauf 20 des Verbrennungsluftverhältnisses gezeigt, wobei der erste Verlauf 19 einem regulären Betrieb des Heizgerätes 1 entsprechen kann und der zweite Verlauf 20 das minimale Verbrennungsluftverhältnis λ angibt, dass sich während der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen kann. Zudem sind eine Grenze des Verbrennungsluftverhältnisses 21, die vorliegend bei λ=1 liegt, sowie eine Grenzleistung 22 deren Unterschreiten das Risiko eines Flammenrückschlages deutlich erhöht, angegeben. In den Fig. 3 und 4 sind die Drehzahl n in U/min [Umdrehungen pro Minute], die mittels des Sensors 13 erfasste Temperatur der Flamme TF in °C [Grad Celsius] und das Verbrennungsluftverhältnis λ dimensionslos gegeben.
  • In Block 130 kann gemäß Schritt c) ein Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes 1 anhand des erfassten Verbrennungsparameters und des Leistungsparameters, erfolgen. Ein Beispiel für einen erfassten Verbrennungsparameter ist der Temperaturverlauf 18, der eine Temperatur der Flamme am Brenner 3 angibt. In der Fig. 3 kann ein sicherer Betrieb des Heizgerätes 1 festgestellt werden, da weder die Grenzleistung 22 noch die Grenze des Verbrennungsluftverhältnisses 21 durch den zweiten Temperaturverlauf 18 bzw. den zweiten Verlauf 20 des Verbrennungsluftverhältnisses λ berührt werden, vielmehr kann in der Fig. Ein ausreichender Abstand zwischen den genannten Größen festgestellt werden. Im Ergebnis unterliegt der Sensor 13 in der Fig. 3 keinem Sensorrift.
  • Fig. 4 zeigt das Diagramm gemäß Fig. 3 für einen Sensor 13 mit einem Sensordrift. Gut erkennbar verlaufen die Grenzleistung 22 und der zweite Verlauf 20 des Verbrennungsluftverhältnisses weitgehend parallel, was ein hohes Risiko eine Flammenrückschlages anzeigen kann. Zudem wird die Grenze des Verbrennungsluftverhältnisses 21 bei ca. 5000 U/min durch den zweiten Verlauf 20 des Verbrennungsluftverhältnisses erreicht und überquert. Im Ergebnis hat die Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens in Fig. 4 ergeben, dass der Betrieb des Heizgerätes 1 nicht sicher ist.
  • Im Anschluss kann durch das Regel- und Steuergerät 7 des Heizgerätes 1 ein Kalibriervorgang des Sensors 13 durchgeführt werden. Alternativ oder kumulativ kann über die Anzeigeeinrichtung 15 und/ oder das Netzwerk 16 eine Information über das Ergebnis der Durchführung des Verfahrens angezeigt bzw. übermittelt werden.
  • Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter ("erste", "zweite", ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann ("mindestens ein"), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Fördereinrichtung
    3
    Brenner
    4
    Zuführung Verbrennungsluft
    5
    Gasventil
    6
    Drehzahlregler
    7
    Regel- und Steuergerät
    8
    Brennkammer
    9
    Abgasrohr
    10
    Abgasanlage
    11
    Gemischkanal
    12
    Durchflusssensor
    13
    Sensor
    14
    Gaszuführung
    15
    Anzeigeeinrichtung
    16
    Netzwerk
    17
    erster Temperaturverlauf
    18
    zweiter Temperaturverlauf
    19
    erster Verlauf Verbrennungsluftverhältnis
    20
    zweiter Verlauf Verbrennungsluftverhältnis
    21
    Grenze Verbrennungsluftverhältnis
    22
    Grenzleistung

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1), umfassend eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Gemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3), und ein Regel- und Steuergerät (7) zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung einbeziehend einen Verbrennungsparameter, der einen Rückschluss auf eine Temperatur einer Flamme am Brenner (3) zulässt, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
    a) Ändern einer Regelgröße der Verbrennungsregelung, die eine Minderung des Verbrennungsluftverhältnisses der Verbrennung bewirkt, und Erfassen des Verbrennungsparameters,
    b) Erfassen eines Leistungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes (1) zulässt,
    c) Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes (1) anhand des erfassten Verbrennungsparameters und des Leistungsparameters.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) die Regelgröße der Verbrennungsparameter ist.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsparameter ein Signal eines UV-Sensors oder eines Temperatursensors ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der in Schritt b) erfasste Leistungsparameter ein Betriebsparameter der Fördereinrichtung (2) ist und/oder eine erfasste Durchflussmenge Verbrennungsluft.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei dem in Schritt b) erfasste Leistungsparameter Merkmale eines Flammenrückschlages erkannt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Signal einer Einrichtung zur Erkennung eines Flammenrückschlages, angeordnet in einem Brennerhohlraum, erfasst wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) ein sicherer Betrieb in Anbetracht eines Erreichens der Sollwertvorgabe oder eines erreichten Maximums des Verbrennungsparameters der Flamme am Brenner (3) in Verbindung mit dem in Schritt b) erfassten Leistungsparameter und einer vorgegebenen Grenzleistung festgestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte a) bis c) in vorgegebenen zeitlichen Abständen durchgeführt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhöhen der Sollwertvorgabe der Verbrennungsregelung eine Steigerung des zugeführten Massestromes Brenngas bewirkt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei einem fehlenden Erreichen der Sollwertvorgabe in Schritt a) ein Kalibriervorgang eines Sensors, eingerichtet zum Erfassen des Verbrennungsparameters, initiiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei einem fehlenden Feststellen eines sicheren Betriebs des Heizgerätes (1) in Schritt c) eine Information hierzu angezeigt, über ein Netzwerk (16) zum Abruf bereitgestellt oder als Nachricht versandt und/oder das Heizgerät (1) außer Betrieb genommen wird und/ oder für eine erneute Inbetriebnahme blockiert wird.
  12. Regel- und Steuergerät (7) eingerichtet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
  13. Heizgerät (1), umfassend eine Fördereinrichtung (2), einen Brenner (3) und einem Sensor (13) zum Erfassen eines Verbrennungsparameters, der einen Rückschluss auf eine Temperatur einer Flamme am Brenner (3) ermöglicht, sowie Mittel, die so angepasst sind, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführen.
  14. Heizgerät (1) nach Anspruch 13, wobei in einem Brennerhohlraum eine Flammensperre und eine Einrichtung zur Erfassung eines Flammenrückschlages angeordnet ist.
  15. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Heizgerät (1) nach Anspruch 13 oder 14 die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt.
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