EP4421386A1 - Method for operating a heating device, computer program, control and control device and heating device - Google Patents

Method for operating a heating device, computer program, control and control device and heating device Download PDF

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Publication number
EP4421386A1
EP4421386A1 EP24158995.1A EP24158995A EP4421386A1 EP 4421386 A1 EP4421386 A1 EP 4421386A1 EP 24158995 A EP24158995 A EP 24158995A EP 4421386 A1 EP4421386 A1 EP 4421386A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
combustion air
combustion
ratio
gas valve
Prior art date
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Pending
Application number
EP24158995.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andre Autermann
Tim Nettingsmeier
Marco Hahn
Andreas Reinert
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 EP4421386A1 publication Critical patent/EP4421386A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00Regulating fuel supply
    • F23N1/002Regulating fuel supply using electronic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/18Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel
    • F23N5/184Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel using electronic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/24Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means

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 mass flow of combustion air is usually added to a mass flow of combustion gas corresponding to a predetermined combustion air ratio and fed to a burner.
  • the current combustion air ratio can be determined based on a recorded combustion parameter.
  • the parameter is often an ionization current of the combustion, which can be recorded using an ionization electrode.
  • the measurement of the ionization current as a control variable for combustion control cannot be carried out robustly with hydrogen as the fuel.
  • the sensors can be subject to sensor drift, i.e. a gradual change in the sensor signal.
  • the sensor drift can be triggered, for example, by aging effects such as oxidation. If the signal is used as a control variable for combustion control, this can lead to a gradual change in the combustion air ratio (set by the control), which can lead to critical conditions in the heating device, for example a flashback.
  • the energy efficiency of combustion can decrease if the combustion air ratio is shifted, or even unburned fuel can get into the exhaust gas.
  • geometric tolerances of the components involved in the heater or environmental effects such as wind or exhaust gas recirculation can lead to a shift in the combustion air ratio.
  • the solution is EP 3 985 306 A1 It is proposed to transmit the measured value of a temperature sensor arranged in the combustion chamber to a measuring and evaluation unit, which is to monitor the measured value and its behavior over time.
  • a measuring and evaluation unit which is to monitor the measured value and its behavior over time.
  • two redundant sensors can be present in order to increase operational reliability.
  • the disadvantage of the proposed solution is that it can hardly detect a sensor drift or distinguish it from other effects that result in a shift in the measured value.
  • the object of the invention to propose a method for operating a heating device, a computer program, a control and regulating device and a heating device which at least partially overcome the problems of the prior art described.
  • the invention is intended to enable safe operation of a heating device, in particular a heating device operated with hydrogen.
  • 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), c) and d) can be carried out at least once in the order given.
  • steps a) to d) can be carried out at regular intervals during operation of the heater.
  • the process can also be carried out as needed or triggered by events, for example if operating data of the heater indicate a shift in the combustion air ratio.
  • the process is used in particular to ensure permanently safe operation of a Heating device, in particular a heating device operated with hydrogen or a hydrogen-containing mixture as fuel.
  • 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 in the heating circuit can be set up 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 arranged in a combustion chamber.
  • Combustion air can refer to the air flow conveyed by the conveying device, regardless of whether this is actually fed to a combustion or is conveyed, for example during commissioning, when starting up the conveying device or during flushing processes.
  • 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 air in accordance with a negative pressure (control pressure) of a throttle point, such as a Venturi nozzle, so that a predefined (specified) combustion air ratio (air ratio, lambda) can be set.
  • the heater can alternatively have an electronic gas-air connection in which which can be used to draw conclusions about the flames and the combustion air ratio (also known as lambda or air ratio) based on a signal from a flame monitor, so that it can be regulated.
  • the heater can be set up in particular to burn hydrogen as a fuel or a (fuel) 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, which can use an ionization current from the flame to detect it.
  • this principle cannot be used robustly with a hydrogen flame, as significantly fewer free charge carriers are produced when hydrogen is burned.
  • other methods are 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.
  • IR infrared
  • UV ultraviolet
  • Commissioning a heater can proceed as follows. First, for example, a control unit of the heater can start a conveyor, which is usually designed as a fan, to a specified starting power or starting speed. After reaching the specified starting power or starting speed, a purge phase with a specified period of time can follow, in which the mass flow of combustion air can stabilize in the flow path. At the specified starting power or starting speed, a starting volume flow of combustion air is established. Now a flow rate of fuel (starting mass flow or starting volume flow of fuel) specified for the starting power or starting speed can be supplied by setting a gas valve to a corresponding opening position. is driven.
  • the volume flow of combustion air V ⁇ Air ( t ) can continuously decrease over time t and the supplied volume flow of fuel gas V ⁇ Gas ( t ) can increase inversely proportionally until a predetermined combustion air ratio ⁇ is established and an ignition process can be initiated.
  • the described process of starting up a heater can be carried out in particular by a control device of a heater.
  • a) detection of a volume flow V ⁇ Air ( t 0 ) of combustion air supplied to the burner can take place at a time t 0.
  • the time t 0 can represent a time during operation of the heater at which it is operated with a combustion air ratio assumed by the control.
  • the assumed combustion air ratio can be set by the combustion control on the basis of a combustion parameter, in particular a signal from a temperature sensor for detecting a flame temperature or an optical sensor for detecting optical radiation emitted by the flame (in particular UV radiation) and a predetermined relationship between combustion parameter and combustion air ratio.
  • the heater can also deliver a volume flow of combustion air and the gas valve can be closed. This can be the case, for example, when the burner is restarted following an interruption to carry out a process proposed here.
  • the recorded volume flow V ⁇ Air ( t 0 ) combustion air combustion mixture can be stored in an electronic data storage device, for example a memory of the control unit.
  • the gas valve can now be opened or closed.
  • opening the gas valve can be opened to a predetermined opening width, which can set a combustion air ratio (assumed by the combustion control).
  • closing the gas valve it can be closed completely so that only the volume flow of combustion air conveyed by the conveying device is fed to the burner.
  • the combustion air volume flow V ⁇ Air ( t ) can be recorded after the gas valve has been opened or closed at a time t .
  • the time t can be in a predetermined period after the time t 0 .
  • the combustion air volume flow V ⁇ Air ( t ) can be recorded continuously or over a predetermined recording period, wherein the recording period is at least partially parallel to the opening process of the gas valve and/or the fully opened gas valve.
  • the combustion air volume flow V ⁇ Air ( t 0 ) and/or the combustion air volume flow V ⁇ Air ( t ) can be detected by means of a flow sensor (a mass flow or volume flow sensor) which can be or is arranged in a combustion air supply of the heater, for example in a silencer of a combustion air supply.
  • a flow sensor a mass flow or volume flow sensor
  • the volume flow V ⁇ Air ( t 0 ) or V ⁇ Air ( t ) can be deduced from the speed n of the conveyor.
  • the speed can be kept constant or regulated.
  • a V ⁇ Air ( t 0 ) is set and can be recorded.
  • the gas valve can then be closed or opened.
  • the speed of the conveyor remains constant and a changed combustion air volume flow V ⁇ Air ( t ) can be recorded.
  • R(t) can now be determined using V ⁇ Air ( t 0 ) and V ⁇ Air ( t ).
  • a (gaseous) volume flow can be easily converted into a mass flow and vice versa. This can be done approximately by multiplying with a conversion factor or by making a precise conversion with knowledge of the state parameters of the gas flow to be measured, in particular the density, temperature and pressure.
  • a reference in this document to a mass flow can therefore always be understood as a reference to a volume flow and vice versa.
  • a conclusion can be drawn about the combustion air ratio at time t or t 0.
  • the combustion air ratio before closing can be determined, and when the gas valve is opened, the combustion air ratio after opening can be determined.
  • the determined R(t) can be compared with a compared to a given reference range of R(t) and the combustion at time t is evaluated.
  • the factor A represents the minimum air requirement for the combustion of the fuel gas, also known as the stoichiometric air requirement, i.e. the volume of combustion air required to burn one cubic meter of fuel gas, assuming that the combustion air has an oxygen content of 21 percent [%]. Knowing the chemical composition of the fuel, the minimum air requirement A can therefore be calculated.
  • the factor A (the minimum air requirement for combustion) is 2.381 for hydrogen (100%), 9.52 for (100%) methane, 23.8 for (100%) propane and 31 for (100%) butane.
  • the factor A (the minimum air requirement) can be stored for this purpose, for example, in a memory of the control unit of the heater, e.g. an average value for the gases in a gas family.
  • the minimum air requirement A could also be determined, for example from a commissioning procedure and/or with the help of other control circuits of the heater.
  • the minimum air requirement A can be determined knowing the combustion air ratio during operation.
  • An alternative way of determining the minimum air requirement A could be to reduce the combustion air ratio from a non-ignitable range (thus increasing the proportion of fuel in the combustion mixture) until successful ignition takes place and thus determine an R(t) for the leanest ignitable mixture. Knowing a lambda limit of the device for ignition (i.e. the maximum lambda (combustion air ratio) with which ignition is possible), the minimum air requirement A could be calculated using the determined R(t).
  • an evaluation of the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) could take place in step e).
  • the evaluation is carried out in particular with a view to determining a deviation of the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) from the combustion air ratio assumed (set) by the combustion control on the basis of the combustion parameter.
  • the evaluation according to step e) could take into account the fact that a virtual combustion air ratio ⁇ V (t) that is too low can indicate potentially occurring critical conditions of the heating device.
  • the burner operation can be interrupted and R(t) can be determined both when the gas valve is closed and opened.
  • the two determined R(t) (when the gas valve is closed and opened) and/or the virtual combustion air ratios ⁇ V (t) derived therefrom (when the gas valve is closed and opened) can then be compared and the comparison results evaluated.
  • the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) or the gradient G(t) determined in step d) can be compared with a (respective) reference range.
  • the reference range can indicate a critical operating condition, in particular a critical combustion air ratio ⁇ .
  • the reference range can be defined by an upper and a lower limit, whereby a virtual combustion air ratio ⁇ V (t) greater than the upper limit and/or smaller than the lower limit can indicate a possibly critical operating condition.
  • the reference range can also be a limit, falling below or exceeding which can indicate a critical condition. In particular, falling below the limit can be critical, as this can indicate a low ⁇ and thus a high proportion of fuel in the combustion mixture (rich mixture).
  • the reference range and/or limit value can have been determined in advance on a reference heater in (laboratory) tests and stored in a memory of the heater, in particular a control and regulating device of the heater.
  • the volume flow of fuel gas V ⁇ Gas can be adjusted.
  • a speed of the conveyor that is as constant as possible is crucial for determining R(t) or the virtual combustion air ratio ⁇ V(t).
  • a short-term speed deviation can occur when the gas valve is opened or closed.
  • the heater can be (automatically) put into an error state in which commissioning is blocked and which, for safety reasons, can only be ended by a person familiar with the device, such as a service technician.
  • information about the detection of the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) and/or the ratio R(t) leaving the reference range and/or exceeding or falling below the limit value can be displayed via a display device (external or integrated in the heater) and/or made available for retrieval via a network, in particular the Internet, 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).
  • information about the detected deviation can advantageously be sent to a user/operator of the heater and/or a specialist company via a message, and the specialist company can plan and carry out an appointment for maintenance and/or repair accordingly. In particular, this can bring about a rapid end to a fault condition in the heater.
  • a proposed method thus calculates a virtual combustion air ratio ⁇ V (t), which enables an estimation and evaluation of the combustion mixture supplied to the burner.
  • 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.
  • 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 control device for a heater is also proposed, set up to carry out a method proposed here.
  • the control device can for example have a processor for this purpose and/or have this.
  • the processor can for example carry out the method stored in a memory (of the control device).
  • the control device can for this purpose be electrically connected in particular to a conveyor device and a flame monitor.
  • data recorded or required as part of the implementation of a method proposed here can be stored in a memory of the control device, for example a supplied volume flow of combustion air V ⁇ Air ( t 0 ) recorded in step a), a volume flow of combustion air V Air ( t ) recorded in step c), a ratio R(t) and virtual combustion air ratio ⁇ V(t) determined in step d), a reference range and/or limit value.
  • a heating device having a control and regulating device as proposed here.
  • the heating device can be a gas heating device, in particular a hydrogen-operated gas heating device.
  • the gas heating device can have a burner and a conveying device with which a mixture of fuel (hydrogen) and combustion air can be supplied to the burner.
  • the heating device can comprise a flow sensor for detecting the supplied mass or volume flow of combustion air.
  • 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, the heater and the use 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 using computer implementation and does not require any structural changes to a heater, but can usually be carried out using the existing sensors of the heater.
  • the method can be particularly advantageously carried out during operation of the heater, for example during an interruption of burner operation, and helps to detect possible critical conditions at an early stage before they can lead to damage to the heater. If necessary, the heater can be automatically taken out of operation if a potentially critical condition is detected.
  • Fig.1 shows an example and schematically a sequence of a method proposed here.
  • the execution of steps a), b), c) and d) shown with blocks 110, 120, 130 and 140 can be carried out at least once in the order given in a regular process sequence.
  • the method serves to increase the operational reliability of a heating device 1, in particular one operated with hydrogen or with a hydrogen-containing mixture as fuel.
  • the specified method can be carried out during operation of the heating device 1 in order to verify/check a combustion air ratio assumed by the combustion control of the heating device 1 and to correct it if necessary.
  • 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.
  • a volume flow of combustion air V ⁇ Air can be sucked in by a conveying device 2, in particular designed as a blower, via a combustion air supply 4, in which a flow sensor 12 can be arranged.
  • the conveyor device 2 can be connected to a speed controller 6, which can regulate a speed n of the conveyor device 2 by means of a pulse width modulated (PWM) signal.
  • a gas valve 5 can add a volume flow of combustion gas V ⁇ Gas from a gas supply 14 to the intake volume flow of combustion air V ⁇ Air and can comprise a safety valve and a gas control valve for controlling the volume flow of combustion gas V ⁇ Gas to be added.
  • the combustion mixture produced from combustion gas and combustion air 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 11 into the burner 3. After combustion, 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 (device for) flame monitoring 13 on/or in the burner door 15, which can be designed here as a sensor for UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame.
  • 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 flame monitor 13, the flow sensor 12 and a network 16 (Internet).
  • the control and regulating device 7 can be set up to carry out a method proposed here.
  • Fig. 3 and 4 show parameter curves that can be achieved when carrying out a procedure proposed here.
  • Fig.3 shows, by way of example, the curve 20 of the speed n of the conveyor 2 and an analogous curve 21 of an opening position P GV of the gas valve 5 over time t.
  • the first time 18 to can be recorded immediately before the gas valve 5 is closed.
  • Fig.4 shows analogous to the Fig.3 given diagram shows a course of the volume flow V ⁇ combustion air 17.
  • the volume flow V ⁇ combustion air takes a first Value 22, which corresponds to V ⁇ Air ( t 0 ).
  • V ⁇ Air ( t 0 ) When the gas valve 5 closes, this increases to a second value 23 V ⁇ Air ( t ) at the second time 19.
  • the volume flow of the fuel gas V ⁇ Air ( t 0 ) at the time t0 can be determined according to a method proposed here and a virtual combustion air ratio ⁇ V (t) can be deduced.
  • the volume flow of combustion air V ⁇ Air ( t 0 ) 17 supplied to the burner can be recorded at a first point in time 18 t and stored, for example, in a memory of the control unit 7.
  • the gas valve 5 can be opened or closed according to a step b). This can be done by controlling the gas valve 5 by the regulating and control device 7.
  • the volume flow of combustion air 17 can be recorded at the second time V ⁇ Air ( t ).
  • the recorded volume flow V ⁇ Air ( t ) can be stored in a memory, for example in the control unit 7.
  • the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) determined in step d) and/or the ratio R(t) determined in step c) can be evaluated in block 150 according to step e).
  • the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) and/or the ratio R(t) can be compared with a limit value or a limit range. If a deviation of the virtual combustion air ratio ⁇ V (t) from the combustion air ratio assumed by the combustion control is determined, the combustion air ratio can be corrected, for example by adjusting the volume flow of the fuel gas.
  • 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), aufweisend eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3) und ein Gasventil (5) zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:a) Erfassen eines dem Brenner (3) zugeführten Volumenstromes V̇<sub>Air</sub>(t<sub>0</sub>) Verbrennungsluft (17) zu einem Zeitpunkt t<sub>0 (18)</sub>,b) Öffnen oder Schließen des Gasventils (5),c) Erfassen des Volumenstromes V̇<sub>Air</sub>(t) Verbrennungsluft zu einem Zeitpunkt t (19) nach dem Öffnen oder Schließen des Gasventils (5) in Schritt b),d) Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit- Rt=V˙AirtV˙Airt0, wenn das Gasventil (5) in Schritt b) geöffnet wurde und mit- Rt=V˙Airt0V˙Airt, wenn das Gasventil (5) in Schritt b) geschlossen wurde.Das Verfahren ermöglicht ein Überprüfen/ Verifizieren eines, von der Verbrennungsregelung angenommenen und eingestellten Verbrennungsluftverhältnisses. Optional kann eine Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgen. Zudem wird ein Heizgerät (1), ein Regel- und Steuergerät (7) und ein Computerprogramm vorgeschlagen.A method is proposed for operating a heating device (1), having a conveying device (2) for conveying a combustion mixture of fuel gas and combustion air to a burner (3) and a gas valve (5) for controlling a flow rate of fuel gas, the method comprising at least the following steps: a) detecting a volume flow V̇<sub>Air</sub>(t<sub>0</sub>) of combustion air (17) supplied to the burner (3) at a time t<sub>0 (18)</sub>, b) opening or closing the gas valve (5), c) detecting the volume flow V̇<sub>Air</sub>(t) of combustion air at a time t (19) after opening or closing the gas valve (5) in step b), d) determining a ratio R(t) with- Rt=V˙AirtV˙Airt0, if the gas valve (5) was opened in step b) and with- Rt=V˙Airt0V˙Airt, if the gas valve (5) was closed in step b).The method enables checking/verifying a combustion air ratio assumed and set by the combustion control. Optionally, the combustion air ratio can be adjusted. In addition, a heater (1), a control and regulating device (7) and a computer program are proposed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät.The invention relates to a method for operating a heating device, a computer program, a regulating and control device and a heating device.

Bei dem Betreiben eines Heizgerätes wird in der Regel einem Massestrom Verbrennungsluft ein, einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis entsprechenden, Massestrom Brenngas zugesetzt und einem Brenner zugeführt. Auf ein aktuelles Verbrennungsluftverhältnis kann dabei anhand eines erfassten Parameters der Verbrennung rückgeschlossen werden. Häufig ist der Parameter ein lonisationsstrom der Verbrennung, der anhand einer lonisationselektrode erfasst werden kann. Die Messung des lonisationsstromes als Regelgröße für die Verbrennungsregelung kann jedoch mit Wasserstoff als Brennstoff nicht robust durchgeführt werden.When operating a heater, a mass flow of combustion air is usually added to a mass flow of combustion gas corresponding to a predetermined combustion air ratio and fed to a burner. The current combustion air ratio can be determined based on a recorded combustion parameter. The parameter is often an ionization current of the combustion, which can be recorded using an ionization electrode. However, the measurement of the ionization current as a control variable for combustion control cannot be carried out robustly with hydrogen as the fuel.

Bei Heizgeräten mit Wasserstoff als Brennstoff werden daher andere Verbrennungsparameter für eine Regelung der Verbrennung erfasst, insbesondere eine Temperatur der Flamme und/ oder optische Parameter, beispielsweise die von der Flamme emittierte UV- (Ultraviolett-) Strahlung. Die Sensoren können jedoch einem Sensordrift unterliegen, also einer schleichenden Änderung des Sensorsignals. Der Sensordrift kann beispielsweise durch Alterungseffekte, wie Oxidation ausgelöst werden. Bei einer Nutzung des Signals als Regelgröße der Verbrennungsregelung kann dies zu einer schleichenden Änderung des (von der Regelung eingestellten) Verbrennungsluftverhältnisses führen, womit kritische Zustände des Heizgerätes, beispielsweise ein Flammenrückschlag, einhergehen können. Zudem kann die Energieeffizienz der Verbrennung bei einer Verschiebung des Verbrennungsluftverhältnisses sinken oder sogar unverbrannter Brennstoff ins Abgas gelangen. Nicht zuletzt können auch geometrische Toleranzen beteiligter Komponenten des Heizgerätes oder auch Umwelteffekte, wie Wind oder eine Abgasrezirkulation zu einer Verschiebung des Verbrennungsluftverhältnisses führen.In heating devices using hydrogen as a fuel, other combustion parameters are therefore recorded to control the combustion, in particular a temperature of the flame and/or optical parameters, for example the UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame. However, the sensors can be subject to sensor drift, i.e. a gradual change in the sensor signal. The sensor drift can be triggered, for example, by aging effects such as oxidation. If the signal is used as a control variable for combustion control, this can lead to a gradual change in the combustion air ratio (set by the control), which can lead to critical conditions in the heating device, for example a flashback. In addition, the energy efficiency of combustion can decrease if the combustion air ratio is shifted, or even unburned fuel can get into the exhaust gas. Last but not least, geometric tolerances of the components involved in the heater or environmental effects such as wind or exhaust gas recirculation can lead to a shift in the combustion air ratio.

Zur Lösung wird in der EP 3 985 306 A1 vorgeschlagen, einer Mess- und Auswerteeinheit den Messwert eines im Verbrennungsraum angeordneten Temperatursensors zu übermitteln, die den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwachen soll. Zudem können zwei redundante Sensoren vorhanden sein, um die Betriebssicherheit zur erhöhen. Nachteilig kann die vorgeschlagene Lösung einen Sensordrift kaum erkennen, bzw. von anderen Effekten, die eine Verschiebung des Messwertes zur Folge haben, unterscheiden.The solution is EP 3 985 306 A1 It is proposed to transmit the measured value of a temperature sensor arranged in the combustion chamber to a measuring and evaluation unit, which is to monitor the measured value and its behavior over time. In addition, two redundant sensors can be present in order to increase operational reliability. The disadvantage of the proposed solution is that it can hardly detect a sensor drift or distinguish it from other effects that result in a shift in the measured value.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. Insbesondere soll die Erfindung einen sicheren Betrieb eines Heizgerätes ermöglichen, insbesondere eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgerätes.Based on this, it is the object of the invention to propose a method for operating a heating device, a computer program, a control and regulating device and a heating device which at least partially overcome the problems of the prior art described. In particular, the invention is intended to enable safe operation of a heating device, in particular a heating device operated with hydrogen.

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.In addition, 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.

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

Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes bei. Das Heizgerät weist dabei eine Fördereinrichtung zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner und ein Gasventil zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas auf. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

  1. a) Erfassen eines dem Brenner zugeführten Volumenstromes Air (t 0) Verbrennungsluft zu einem Zeitpunkt to,
  2. b) Öffnen oder Schließen des Gasventils,
  3. c) Erfassen des Volumenstromes Air (t) Verbrennungsluft zu einem Zeitpunkt t nach dem Öffnen oder Schließen des Gasventils in Schritt b),
  4. d) Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit
  • R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
    Figure imgb0001
    , wenn das Gasventil in Schritt b) geöffnet wurde und mit
  • R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
    Figure imgb0002
    , wenn das Gasventil in Schritt b) geschlossen wurde.
A method for operating a heating device contributes to this. The heating device has a conveying device for conveying a combustion mixture of fuel gas and combustion air to a burner and a gas valve for controlling a flow rate of fuel gas. The method comprises at least the following steps:
  1. a) Determining a volume flow Air ( t 0 ) of combustion air supplied to the burner at a time to,
  2. b) opening or closing the gas valve,
  3. c) Determining the volume flow Air ( t ) of combustion air at a time t after opening or closing the gas valve in step b),
  4. d) Determine a ratio R(t) with
  • R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
    Figure imgb0001
    if the gas valve was opened in step b) and
  • R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
    Figure imgb0002
    if the gas valve was closed in step b).

Die Schritte a), b), c) und d) können dabei mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Insbesondere können die Schritte a) bis d) in regelmäßigen zeitlichen Abständen während des Betriebs des Heizgerätes durchgeführt werden. Alternativ oder kumulativ kann eine Durchführung des Verfahrens auch bedarfsgerecht oder durch Ereignisse ausgelöst erfolgen, beispielsweise wenn Betriebsdaten des Heizgerätes auf eine Verschiebung des Verbrennungsluftverhältnisses hinweisen. Das Verfahren dient insbesondere einem dauerhaft sicheren Betrieb eines Heizgerätes, insbesondere eines, mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenden Gemisch als Brennstoff betriebenen, Heizgerätes.Steps a), b), c) and d) can be carried out at least once in the order given. In particular, steps a) to d) can be carried out at regular intervals during operation of the heater. Alternatively or cumulatively, the process can also be carried out as needed or triggered by events, for example if operating data of the heater indicate a shift in the combustion air ratio. The process is used in particular to ensure permanently safe operation of a Heating device, in particular a heating device operated with hydrogen or a hydrogen-containing mixture as fuel.

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 einen 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.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. In the heating device, a circulation pump in the heating circuit can be set up 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.

Hierzu kann das Heizgerät eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, aufweisen, das ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff (Wasserstoff) einem, in einer Brennkammer angeordneten, Brenner des Heizgerätes zuführen kann. Verbrennungsluft kann dabei den von der Fördereinrichtung geförderten Luftstrom bezeichnen, unabhängig davon, ob diese tatsächlich einer Verbrennung zugeführt oder, wie beispielsweise im Rahmen einer Inbetriebnahme, beim Anfahren der Fördereinrichtung oder bei Spülvorgängen gefördert wird. 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. 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 (Brennstoff)Gemisch enthaltend Wasserstoff eingerichtet sein. Das Gemisch kann dabei einen Gehalt von mindestens 80% oder mindestens 90% Wasserstoff aufweisen.For this purpose, 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 arranged in a combustion chamber. Combustion air can refer to the air flow conveyed by the conveying device, regardless of whether this is actually fed to a combustion or is conveyed, for example during commissioning, when starting up the conveying device or during flushing processes. 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 air in accordance with a negative pressure (control pressure) of a throttle point, such as a Venturi nozzle, so that a predefined (specified) combustion air ratio (air ratio, lambda) can be set. The heater can alternatively have an electronic gas-air connection in which which can be used to draw conclusions about the flames and the combustion air ratio (also known as lambda or air ratio) based on a signal from a flame monitor, so that it can be regulated. The heater can be set up in particular to burn hydrogen as a fuel or a (fuel) mixture containing hydrogen. The mixture can have a hydrogen content of at least 80% or at least 90%.

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. Ein Signal einer Flammenüberwachung kann dabei das Vorhandensein einer Flamme anzeigen, sowie ein Rückschluss auf ein Verbrennungsluftverhältnis der Flamme ermöglichen.The heater can also have a flame monitor. An ionization electrode is often used for this, which can use an ionization current from the flame to detect it. However, this principle cannot be used robustly with a hydrogen flame, as significantly fewer free charge carriers are produced when hydrogen is burned. For this reason, other methods are 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. A signal from a flame monitor can indicate the presence of a flame and allow a conclusion to be drawn about the combustion air ratio of the flame.

Eine Inbetriebnahme eines Heizgerätes kann dabei wie folgt ablaufen. Zunächst kann, beispielsweise ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes, eine Fördereinrichtung, die zumeist als Gebläse ausgeführt ist, auf eine vorgegebene Startleistung bzw. Startdrehzahl, anfahren. Nach dem Erreichen der vorgegebenen Startleistung bzw. Startdrehzahl kann sich eine Spülphase mit einer vorgegebenen Zeitdauer anschließen, in der sich der Massestrom Verbrennungsluft im Strömungsweg stabilisieren kann. Bei der vorgegebenen Startleistung bzw. Startdrehzahl stellt sich ein Startvolumenstrom Verbrennungsluft ein. Nunmehr kann eine für die Startleistung bzw. Startdrehzahl vorgegebene Durchflussmenge Brennstoff (Startmassestrom oder Startvolumenstrom Brennstoff) zugeführt werden, indem ein Gasventil auf eine entsprechende Öffnungsposition gefahren wird. Mit zunehmendem Volumenstrom Brenngas Gas kann der Volumenstrom Verbrennungsluft Air (t) im Verlauf der Zeit t kontinuierlich abnehmen und umgekehrt proportional der zugeführte Volumenstrom Brenngas Gas (t) zunehmen, bis sich ein vorgegebenes Verbrennungsluftverhältnis λ einstellt, und ein Zündvorgang eingeleitet werden kann. Der beschriebene Vorgang einer Inbetriebnahme eines Heizgerätes kann insbesondere durch ein Regel- und Steuergerät eines Heizgerätes durchgeführt werden.Commissioning a heater can proceed as follows. First, for example, a control unit of the heater can start a conveyor, which is usually designed as a fan, to a specified starting power or starting speed. After reaching the specified starting power or starting speed, a purge phase with a specified period of time can follow, in which the mass flow of combustion air can stabilize in the flow path. At the specified starting power or starting speed, a starting volume flow of combustion air is established. Now a flow rate of fuel (starting mass flow or starting volume flow of fuel) specified for the starting power or starting speed can be supplied by setting a gas valve to a corresponding opening position. is driven. With increasing volume flow of fuel gas Gas, the volume flow of combustion air Air ( t ) can continuously decrease over time t and the supplied volume flow of fuel gas Gas ( t ) can increase inversely proportionally until a predetermined combustion air ratio λ is established and an ignition process can be initiated. The described process of starting up a heater can be carried out in particular by a control device of a heater.

Gemäß Schritt a) kann ein a) Erfassen eines dem Brenner zugeführten Volumenstromes Air (t 0) Verbrennungsluft zu einem Zeitpunkt t0 erfolgen. Der Zeitpunkt t0 kann einen Zeitpunkt während des Betriebs des Heizgerätes darstellen, in dem dieses mit einem von der Regelung angenommenen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Das angenommene Verbrennungsluftverhältnis kann durch die Verbrennungsregelung anhand eines Verbrennungsparameters, insbesondere eines Signals eines Temperatursensors zum Erfassen einer Flammentemperatur oder eines optischen Sensors, zum Erfassen von der Flamme emittierter optischer Strahlung (insbesondere UV-Strahlung) und eines vorgegebenen Zusammenhangs zwischen Verbrennungsparameter und Verbrennungsluftverhältnis eingestellt werden.According to step a), a) detection of a volume flow Air ( t 0 ) of combustion air supplied to the burner can take place at a time t 0. The time t 0 can represent a time during operation of the heater at which it is operated with a combustion air ratio assumed by the control. The assumed combustion air ratio can be set by the combustion control on the basis of a combustion parameter, in particular a signal from a temperature sensor for detecting a flame temperature or an optical sensor for detecting optical radiation emitted by the flame (in particular UV radiation) and a predetermined relationship between combustion parameter and combustion air ratio.

Alternativ kann zum Zeitpunkt to das Heizgerät auch einen Volumenstrom Verbrennungsluft fördern und das Gasventil geschlossen sein. Dies kann beispielsweise bei einem Neustart des Brennerbetriebes im Anschluss an eine Unterbrechung zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens sein.Alternatively, at time t0 the heater can also deliver a volume flow of combustion air and the gas valve can be closed. This can be the case, for example, when the burner is restarted following an interruption to carry out a process proposed here.

Insbesondere kann der erfasste Volumenstrom Air (t 0) Verbrennungsluft Verbrennungsgemisch auf einem elektronischen Daten-Speicher, beispielsweise einem Speicher des Regel- und Steuergerätes, hinterlegt werden.In particular, the recorded volume flow Air ( t 0 ) combustion air combustion mixture can be stored in an electronic data storage device, for example a memory of the control unit.

Gemäß Schritt b) kann nunmehr ein Öffnen oder Schließen des Gasventils erfolgen. Bei dem Öffnen kann das Gasventil auf eine vorgegebene Öffnungsweite geöffnet werden, die ein (von der Verbrennungsregelung angenommenes) Verbrennungsluftverhältnis einstellen kann. Bei einem Schließen des Gasventils kann dieses vollständig geschlossen werden, so dass lediglich der von der Fördereinrichtung geförderte Volumenstrom Verbrennungsluft dem Brenner zugeführt wird.According to step b), the gas valve can now be opened or closed. When opening, the gas valve can be opened to a predetermined opening width, which can set a combustion air ratio (assumed by the combustion control). When closing the gas valve, it can be closed completely so that only the volume flow of combustion air conveyed by the conveying device is fed to the burner.

Gemäß einem Schritt c) kann ein Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft Air (t) nach dem Öffnen oder Schließen des Gasventils zu einem Zeitpunkt t, erfolgen. Der Zeitpunkt t kann in einer vorgegebenen Periode nach dem Zeitpunkt t0 liegen. Insbesondere kann das Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft Air (t) kontinuierlich bzw. über eine vorgegebene Erfassungsperiode durchgeführt werden, wobei die Erfassungsperiode zumindest teilweise parallel dem Öffnungsvorgang des Gasventils und/oder dem vollständig geöffneten Gasventil liegt.According to a step c), the combustion air volume flow Air ( t ) can be recorded after the gas valve has been opened or closed at a time t . The time t can be in a predetermined period after the time t 0 . In particular, the combustion air volume flow Air ( t ) can be recorded continuously or over a predetermined recording period, wherein the recording period is at least partially parallel to the opening process of the gas valve and/or the fully opened gas valve.

Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft Air (t 0) und/ oder des Volumenstromes Verbrennungsluft Air (t) mittels eines Durchflusssensors (eines Massestrom- oder Volumenstromsensors) erfolgen, der in einer Zuführung Verbrennungsluft des Heizgerätes, beispielsweise in einem Schalldämpfer einer Zuführung Verbrennungsluft, angeordnet sein kann bzw. ist.According to one embodiment, the combustion air volume flow Air ( t 0 ) and/or the combustion air volume flow Air ( t ) can be detected by means of a flow sensor (a mass flow or volume flow sensor) which can be or is arranged in a combustion air supply of the heater, for example in a silencer of a combustion air supply.

Gemäß einer Ausgestaltung kann nach einem der vorangehenden Ansprüche, kann in den Schritten a) und c) auf den Volumenstrom Air (t 0) bzw. Air (t) anhand der Drehzahl n der Fördereinrichtung rückgeschlossen werden. Insbesondere kann hierzu die Drehzahl konstant gehalten bzw. geregelt werden. Beispielsweise kann während eines Betriebs zum Zeitpunkt to die Solldrehzahl konstant gehalten und ausgeregelt werden, ein Air (t 0) stellt sich ein und kann erfasst werden. Anschließend kann das Gasventil geschlossen bzw. geöffnet werden. Die Drehzahl der Fördereinrichtung bleibt konstant und es kann ein geänderter Volumenstrom Verbrennungsluft Air (t) erfasst werden. Anhand von Air (t 0) und Air (t) kann nunmehr R(t) bestimmt werden.According to one embodiment, according to one of the preceding claims, in steps a) and c), the volume flow Air ( t 0 ) or Air ( t ) can be deduced from the speed n of the conveyor. In particular, the speed can be kept constant or regulated. For example, during operation at time to, the target speed can be kept constant and regulated, a Air ( t 0 ) is set and can be recorded. The gas valve can then be closed or opened. The speed of the conveyor remains constant and a changed combustion air volume flow Air ( t ) can be recorded. R(t) can now be determined using Air ( t 0 ) and Air ( t ).

In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass ein (gasförmiger) Volumenstrom auf einfache Art und Weise in einen Massestrom überführbar ist und umgekehrt. Hierzu kann näherungsweise eine Multiplikation mit einem Umrechnungsfaktor erfolgen oder eine präzise Umrechnung in Kenntnis von Zustandsparametern des zu erfassenden Gasstromes, insbesondere der Dichte, Temperatur und des Druckes. Eine Bezugnahme im Rahmen dieses Dokumentes auf einen Massestrom kann somit immer auch als Bezugnahme auf einen Volumenstrom verstanden werden und umgekehrt.In this context, it is noted that a (gaseous) volume flow can be easily converted into a mass flow and vice versa. This can be done approximately by multiplying with a conversion factor or by making a precise conversion with knowledge of the state parameters of the gas flow to be measured, in particular the density, temperature and pressure. A reference in this document to a mass flow can therefore always be understood as a reference to a volume flow and vice versa.

Gemäß Schritt d) ein Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit

  • R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
    Figure imgb0003
    , wenn das Gasventil in Schritt b) geöffnet wurde, und mit
  • R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
    Figure imgb0004
    , wenn das Gasventil in Schritt b) geschlossen wurde, erfolgen.
According to step d) determining a ratio R(t) with
  • R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
    Figure imgb0003
    if the gas valve was opened in step b) and with
  • R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
    Figure imgb0004
    if the gas valve was closed in step b).

Das Verhältnis wird aus dem Umstand abgeleitet, dass der, bei konstanter Drehzahl von der Fördereinrichtung geförderte Volumenstrom konstant ist (dichteunabhängig) und der Volumenstrom Brenngas Gas (t) somit mittels

  • Gas (t) = Air (t 0) - Air (t) bei einem Öffnen des Gasventils bzw.
  • Gas (t) = Air (t) - Air (t 0) bei einem Schließen des Gasventils
  • hergeleitet werden kann.
The ratio is derived from the fact that the volume flow conveyed by the conveyor at constant speed is constant (independent of density) and the volume flow of fuel gas Gas ( t ) is thus determined by means of
  • Gas ( t ) = Air ( t 0 ) - Air ( t ) when the gas valve is opened or
  • Gas ( t ) = Air ( t ) - Air ( t 0 ) when the gas valve is closed
  • can be derived.

Anhand des in Schritt d) ermittelten Verhältnisses R(t) kann ein Rückschluss auf das Verbrennungsluftverhältnis zum Zeitpunkt t bzw. t0 erfolgen. Insbesondere kann beim Schließen des Gasventils auf das Verbrennungsluftverhältnis vor dem Schließen und beim Öffnen des Gasventils auf das Verbrennungsluftverhältnis nach dem Öffnen rückgeschlossen werden. Hierzu kann das ermittelte R(t) beispielsweise mit einem vorgegebenen Referenzbereich von R(t) verglichen und die Verbrennung zum Zeitpunkt t bewertet werden.Based on the ratio R(t) determined in step d), a conclusion can be drawn about the combustion air ratio at time t or t 0. In particular, when the gas valve is closed, the combustion air ratio before closing can be determined, and when the gas valve is opened, the combustion air ratio after opening can be determined. For this purpose, the determined R(t) can be compared with a compared to a given reference range of R(t) and the combustion at time t is evaluated.

Gemäß einer Ausgestaltung kann in einem Schritt
e) ein Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) mittels λ V t = R t A × 1 R t

Figure imgb0005
erfolgen.According to one embodiment, in one step
e) calculating a virtual combustion air ratio λ V (t) by means of λ V t = R t A × 1 R t
Figure imgb0005
take place.

Der Faktor A stellt dabei den Mindestluftbedarf der Verbrennung des Brenngases, auch als stöchiometrischer Luftbedarf bezeichnet, also das benötigte Volumen Verbrennungsluft für die Verbrennung von einem Kubikmeter Brenngas, mit der Annahme, dass die Verbrennungsluft einen Sauerstoffanteil von 21 Prozent [%] hat. In Kenntnis einer chemischen Zusammensetzung des Brennstoffes könnte der Mindestluftbedarf A somit berechnet werden. Beispielsweise beträgt der Faktor A (der Mindestluftbedarf der Verbrennung) für Wasserstoff (100%iges) 2,381, für (100%iges) Methan 9,52, für (100%iges) Propan 23, 8 und für (100%iges) Butan 31. Der Faktor A (der Mindestluftbedarf) kann hierfür beispielsweise auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes des Heizgerätes hinterlegt sein, beispielsweise ein Mittelwert für die Gase einer Gasfamilie.The factor A represents the minimum air requirement for the combustion of the fuel gas, also known as the stoichiometric air requirement, i.e. the volume of combustion air required to burn one cubic meter of fuel gas, assuming that the combustion air has an oxygen content of 21 percent [%]. Knowing the chemical composition of the fuel, the minimum air requirement A can therefore be calculated. For example, the factor A (the minimum air requirement for combustion) is 2.381 for hydrogen (100%), 9.52 for (100%) methane, 23.8 for (100%) propane and 31 for (100%) butane. The factor A (the minimum air requirement) can be stored for this purpose, for example, in a memory of the control unit of the heater, e.g. an average value for the gases in a gas family.

Alternativ könnte der Mindestluftbedarf A auch ermittelt werden, beispielsweise aus einer Inbetriebnahmeprozedur und/ oder auch mit Hilfe anderer Regelkreise des Heizgerätes. Hierzu kann beispielsweise ein Lamdaregelkreis eines Heizgerätes genutzt werden, der im Betrieb das Verbrennungsluftverhältnis des Heizgerätes unabhängig von der Gasart regeln kann. So kann nach einem Schließen des Gasventils mit R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t

Figure imgb0006
und λ V t = R t A × 1 R t
Figure imgb0007
der Mindestluftbedarf A in Kenntnis des Verbrennungsluftverhältnisses im Betrieb bestimmt werden.Alternatively, the minimum air requirement A could also be determined, for example from a commissioning procedure and/or with the help of other control circuits of the heater. For example, a lambda control circuit of a heater can be used for this purpose, which can regulate the combustion air ratio of the heater during operation regardless of the type of gas. In this way, after closing the gas valve with R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
Figure imgb0006
and λ V t = R t A × 1 R t
Figure imgb0007
The minimum air requirement A can be determined knowing the combustion air ratio during operation.

Eine alternative Möglichkeit zur Bestimmung des Mindestluftbedarfs A könnte darin bestehen, das Verbrennungsluftverhältnis von einem nicht zündfähigen Bereich zu mindern (den Anteil Brennstoff im Verbrennungsgemisch somit zu erhöhen) bis eine erfolgreiche Zündung stattfindet und somit ein R(t) für das magerste zündfähige Gemisch ermitteln. In Kenntnis einer Lambdagrenze des Gerätes für die Zündung (also des maximalen Lambdas (Verbrennungsluftverhältnisses) mit dem eine Zündung möglich ist) könnte der Mindestluftbedarf A mit dem ermittelten R(t) berechnet werden.An alternative way of determining the minimum air requirement A could be to reduce the combustion air ratio from a non-ignitable range (thus increasing the proportion of fuel in the combustion mixture) until successful ignition takes place and thus determine an R(t) for the leanest ignitable mixture. Knowing a lambda limit of the device for ignition (i.e. the maximum lambda (combustion air ratio) with which ignition is possible), the minimum air requirement A could be calculated using the determined R(t).

Gemäß einer Ausgestaltung könnte in Schritt e) ein Bewerten des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) erfolgen. Das Bewerten erfolgt dabei insbesondere im Hinblick auf ein Feststellen einer Abweichung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) von dem von der Verbrennungsregelung anhand des Verbrennungsparameters angenommenen (eingestellten) Verbrennungsluftverhältnisses.According to one embodiment, an evaluation of the virtual combustion air ratio λ V (t) could take place in step e). The evaluation is carried out in particular with a view to determining a deviation of the virtual combustion air ratio λ V (t) from the combustion air ratio assumed (set) by the combustion control on the basis of the combustion parameter.

Gemäße einer Ausgestaltung könnte bei dem Bewerten gemäß Schritt e) der Umstand einbezogen werden, dass ein zu niedriges virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λV(t) möglicherweise eintretende kritischen Zustände des Heizgerätes anzeigen kann.According to one embodiment, the evaluation according to step e) could take into account the fact that a virtual combustion air ratio λ V (t) that is too low can indicate potentially occurring critical conditions of the heating device.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann für die Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens der Brennerbetrieb unterbrochen werden und R(t) sowohl beim damit verbundenen Schießen und Öffnen des Gasventils ermittelt werden. Anschließend können die beiden ermittelten R(t) (beim Schließen und Öffnen des Gasventils) und/ oder daraus abgeleitete virtuelle Verbrennungsluftverhältnisse λV(t) (beim Schließen und Öffnen des Gasventils) verglichen werden und ein Bewerten der Vergleichsergebnisse erfolgen.According to a further embodiment, in order to carry out a method proposed here, the burner operation can be interrupted and R(t) can be determined both when the gas valve is closed and opened. The two determined R(t) (when the gas valve is closed and opened) and/or the virtual combustion air ratios λ V (t) derived therefrom (when the gas valve is closed and opened) can then be compared and the comparison results evaluated.

Gemäß einer Ausgestaltung kann im Rahmen der Durchführung des Schrittes e) ein Vergleichen des in Schritt d) bestimmten virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) oder des Gradienten G(t) mit einem (jeweiligen) Referenzbereich erfolgen. Ein Verlassen des Referenzbereiches kann dabei einen kritischen Betriebszustand, insbesondere ein kritisches Verbrennungsluftverhältnis λ anzeigen. Der Referenzbereich kann dabei durch einen oberen und einen unteren Grenzwert definiert sein, wobei ein virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λV(t) größer dem oberen Grenzwert und/ oder kleiner dem unteren Grenzwert einen möglicherweise kritischen Betriebszustand anzeigen kann. Dabei kann der Referenzbereich auch ein Grenzwert sein, dessen unter- oder überschreiten einen kritischen Zustand anzeigen kann. Hierbei kann insbesondere ein Unterschreiten des Grenzwertes kritisch sein, da dieses ein niedriges λ und somit einen hohen Anteil Brennstoff im Verbrennungsgemisch (fettes Gemisch) anzeigen kann.According to one embodiment, when carrying out step e), the virtual combustion air ratio λ V (t) or the gradient G(t) determined in step d) can be compared with a (respective) reference range. Leaving the The reference range can indicate a critical operating condition, in particular a critical combustion air ratio λ. The reference range can be defined by an upper and a lower limit, whereby a virtual combustion air ratio λ V (t) greater than the upper limit and/or smaller than the lower limit can indicate a possibly critical operating condition. The reference range can also be a limit, falling below or exceeding which can indicate a critical condition. In particular, falling below the limit can be critical, as this can indicate a low λ and thus a high proportion of fuel in the combustion mixture (rich mixture).

Gemäß einer Ausgestaltung können Referenzbereich und/ oder Grenzwert im Vorfeld an einem Referenzheizgerät in (Labor-)Versuchen ermittelt worden sein und auf einem Speicher des Heizgerätes, insbesondere eines Regel- und Steuergerätes des Heizgerätes hinterlegt sein.According to one embodiment, the reference range and/or limit value can have been determined in advance on a reference heater in (laboratory) tests and stored in a memory of the heater, in particular a control and regulating device of the heater.

Gemäß einer Ausgestaltung kann bei einem Feststellen des Verlassens des Referenzbereiches und/ oder einem Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes durch das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λV(t) und/ oder das Verhältnis R(t) in Schritt e) der Volumenstrom Brenngas Gas angepasst werden.According to one embodiment, when it is determined that the reference range has been left and/or that the limit value has been exceeded or not reached by the virtual combustion air ratio λ V (t) and/or the ratio R(t) in step e), the volume flow of fuel gas Gas can be adjusted.

Wie beschrieben ist für die Bestimmung von R(t) bzw. des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) eine möglichst konstante Drehzahl der Fördereinrichtung maßgeblich. Allerdings kann beim Öffnen oder Schließen des Gasventils eine kurzzeitige Drehzahlabweichung auftreten. Gemäß einer Ausgestaltung kann diese Drehzahlabweichung kompensiert werden, indem zusätzlich die Drehzahl n der Fördereinrichtung zum Zeitpunkt to und zum Zeitpunkt t erfasst wird und ein kompensierter Volumenstrom V ˙ Air Komp t = V ˙ Air × n t 0 n t

Figure imgb0008
berechnet wird. Der kompensierte Volumenstrom kann dann zur Berechnung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses herangezogen werden.As described, a speed of the conveyor that is as constant as possible is crucial for determining R(t) or the virtual combustion air ratio λV(t). However, a short-term speed deviation can occur when the gas valve is opened or closed. According to one embodiment, this speed deviation can be compensated by additionally recording the speed n of the conveyor at time to and at time t and calculating a compensated volume flow V ˙ Air Comp t = V ˙ Air × n t 0 n t
Figure imgb0008
is calculated. The compensated volume flow can then be used to calculate the virtual combustion air ratio.

Gemäß einer Ausgestaltung kann der zugeführte Volumenstrom Brenngas Gas entsprechend der Abweichung des ermittelten R(t) von einem Soll-R(t) bzw. der Abweichung des ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnis von einem Soll-Verbrennungsluftverhältnis angepasst werden. In Abhängigkeit der Abweichung sind hierbei verschiedene Fallgestaltungen vorstellbar:

  • bei einer unplausibel großen Abweichung (virtuelles Verbrennungsluftverhältnis deutlich größer/ kleiner als Soll-Verbrennungsluftverhältnis) kann eine Reset-Fahrt des Schrittmotors des Gasventils sinnvoll sein,
  • bei einem virtuellen Verbrennungsluftverhältnis deutlich unterhalb des Soll-Verbrennungsluftverhältnis, also einem deutlich zu fetten Verbrennungsgemisch, kann eine entsprechend große Korrektur erfolgen, die das Verbrennungsluftverhältnis möglichst wieder in einen mageren Bereich verschieben kann, und
  • bei einer größeren Abweichung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnis in Richtung mager kann der zugeführte Volumenstrom Brenngas Gas in kleinen Schritten erhöht werden. Durch eine Erhöhung in kleinen Schritten kann dabei das Risiko eines Sprunges in einen fetten Bereich gemindert werden.
According to one embodiment, the supplied volume flow of fuel gas Gas can be adjusted according to the deviation of the determined R(t) from a target R(t) or the deviation of the determined virtual combustion air ratio from a target combustion air ratio. Depending on the deviation, various case designs are conceivable:
  • If the deviation is implausibly large (virtual combustion air ratio significantly larger/smaller than the target combustion air ratio), a reset of the gas valve stepper motor may be useful.
  • if the virtual combustion air ratio is significantly below the target combustion air ratio, i.e. if the combustion mixture is significantly too rich, a correspondingly large correction can be made, which can shift the combustion air ratio back into a lean range, if possible, and
  • If the virtual combustion air ratio deviates significantly towards lean, the supplied volume flow of fuel gas Gas can be increased in small steps. By increasing the volume flow in small steps, the risk of a jump into a rich range can be reduced.

Gemäß einer Ausgestaltung kann bei einem Feststellen des Verlassens des Referenzbereiches und/ oder einem Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes durch das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λV(t) und/ oder das Verhältnis R(t) das Heizgerät (automatisiert) in einen Fehlerzustand verbracht werden, in dem eine Inbetriebnahme blockiert ist und der aus Sicherheitsgründen nur von einer gerätekundigen Person, wie einem Servicetechniker, beendet werden kann.According to one embodiment, if it is determined that the reference range has been left and/or that the limit value has been exceeded or not reached by the virtual combustion air ratio λ V (t) and/or the ratio R(t), the heater can be (automatically) put into an error state in which commissioning is blocked and which, for safety reasons, can only be ended by a person familiar with the device, such as a service technician.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann eine Information über das Feststellen des Verlassens des Referenzbereiches und/ oder einem Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes durch das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λV(t) und/ oder das Verhältnis R(t) 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 die festgestellte Abweichung durch eine Nachricht übermittelt werden und der Fachbetrieb kann einen Termin zur Wartung und/ oder Reparatur entsprechend planen und durchführen. Insbesondere kann so eine schnelle Beendigung eines Fehlerzustandes des Heizgerätes herbeigeführt werden.According to a further embodiment, information about the detection of the virtual combustion air ratio λ V (t) and/or the ratio R(t) leaving the reference range and/or exceeding or falling below the limit value can be displayed via a display device (external or integrated in the heater) and/or made available for retrieval via a network, in particular the Internet, and/or sent as a message. For example, the information can be made available for retrieval on an appliance interface of the heater or on a network storage device (cloud). In this way, information about the detected deviation can advantageously be sent to a user/operator of the heater and/or a specialist company via a message, and the specialist company can plan and carry out an appointment for maintenance and/or repair accordingly. In particular, this can bring about a rapid end to a fault condition in the heater.

Ein vorgeschlagenes Verfahren ermittelt somit rechnerisch ein virtuelles Verbrennungsluftverhältnisses λV(t), das eine Einschätzung und Bewertung des dem Brenner zugeführten Verbrennungsgemisches ermöglicht.A proposed method thus calculates a virtual combustion air ratio λ V (t), which enables an estimation and evaluation of the combustion mixture supplied to the burner.

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.According to a further aspect, a computer program is also proposed which is set up to (at least partially) carry out a method presented here. In other words, 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.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.According to a further aspect, a machine-readable storage medium is also proposed on which the computer program is stored.

Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.The machine-readable storage medium is usually a computer-readable data carrier.

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 und einer Flammenüberwachung 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 ein in Schritt a) erfasster zugeführter Volumenstromes Verbrennungsluft Air (t 0), ein in Schritt c) erfasster Volumenstrom Verbrennungsluft VAir (t), ein in Schritt d) bestimmtes Verhältnis R(t) und virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λV(t), ein Referenzbereich und/ oder Grenzwert.According to a further aspect, a control device for a heater is also proposed, set up to carry out a method proposed here. The control device can for example have a processor for this purpose and/or have this. In this context, the processor can for example carry out the method stored in a memory (of the control device). The control device can for this purpose be electrically connected in particular to a conveyor device and a flame monitor. In addition, data recorded or required as part of the implementation of a method proposed here can be stored in a memory of the control device, for example a supplied volume flow of combustion air Air ( t 0 ) recorded in step a), a volume flow of combustion air V Air ( t ) recorded in step c), a ratio R(t) and virtual combustion air ratio λV(t) determined in step d), a reference range and/or limit value.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend ein hier vorgeschlagenes Regel- und Steuergerät. Bei dem Heizgerät kann es sich um ein Gasheizgerät, insbesondere um ein wasserstoffbetriebenes Gasheizgerät, handeln. Das Gasheizgerät kann einen Brenner und eine Fördereinrichtung aufweisen, mit der ein Gemisch aus Brennstoff (Wasserstoff) und Verbrennungsluft dem Brenner zugeführt werden kann. Gemäß einer Ausgestaltung kann das Heizgerät einen Durchflusssensor zum Erfassen des zugeführten Masse- oder Volumenstromes Verbrennungsluft umfassen.According to a further aspect, a heating device is also proposed, having a control and regulating device as proposed here. The heating device can be a gas heating device, in particular a hydrogen-operated gas heating device. The gas heating device can have a burner and a conveying device with which a mixture of fuel (hydrogen) and combustion air can be supplied to the burner. According to one embodiment, the heating device can comprise a flow sensor for detecting the supplied mass or volume flow of combustion air.

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.The details, features and advantageous embodiments discussed in connection with the method can also occur in the computer program, the control device and the heater presented here and vice versa. In this respect, reference is made in full to the explanations therein for a more detailed characterisation of the features.

Hier wird somit ein Verfahren zum 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, das Heizgerät sowie die Verwendung 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 keine baulichen Änderungen an einem Heizgerät, sondern ist zumeist mit der vorhandenen Sensorik des Heizgerätes durchführbar.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. In particular, the method for operating a heater, the computer program, the control and regulating device, the heater and the use 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 using computer implementation and does not require any structural changes to a heater, but can usually be carried out using the existing sensors of the heater.

Insbesondere vorteilhaft kann das Verfahren während des Betriebs des Heizgerätes, beispielsweise im Rahmen einer Unterbrechung des Brennerbetriebs durchgeführt werden, und helfen, mögliche kritische Zustände frühzeitig zu erkennen, bevor diese zu Schäden am Heizgerät führen können. Gegebenenfalls kann das Heizgerät hierzu bei einem Feststellen eines möglicherweise kritischen Zustandes automatisiert außer Betrieb genommen werden.The method can be particularly advantageously carried out during operation of the heater, for example during an interruption of burner operation, and helps to detect possible critical conditions at an early stage before they can lead to damage to the heater. If necessary, the heater can be automatically taken out of operation if a potentially critical condition is detected.

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:
Parameterverläufe, die sich bei der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können.
The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the attached figures. It should be noted that the invention is not intended to be limited by the exemplary embodiments given. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and combine them with other components and findings from the present description. In particular, it should be noted that the figures and in particular the size relationships shown are only schematic. They show:
Fig.1:
a sequence of a procedure proposed here,
Fig. 2:
a heater proposed here, and
Fig. 3:
Parameter curves that can arise when carrying out a procedure proposed here.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die mit Blöcken 110, 120, 130 und 140 dargestellte Durchführung der Schritte a), b), c) und d) kann bei einem regulären Verfahrensablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren dient einer Steigerung der Betriebssicherheit eines, insbesondere mit Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gemisch als Brennstoff betriebenen, Heizgerätes 1. Insbesondere kann das angegebene Verfahren während es Betriebes des Heizgerätes 1 durchgeführt werden, um ein von der Verbrennungsregelung des Heizgerätes 1 angenommenes Verbrennungsluftverhältnis zu verifizieren/ überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Fig.1 shows an example and schematically a sequence of a method proposed here. The execution of steps a), b), c) and d) shown with blocks 110, 120, 130 and 140 can be carried out at least once in the order given in a regular process sequence. The method serves to increase the operational reliability of a heating device 1, in particular one operated with hydrogen or with a hydrogen-containing mixture as fuel. In particular, the specified method can be carried out during operation of the heating device 1 in order to verify/check a combustion air ratio assumed by the combustion control of the heating device 1 and to correct it if necessary.

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 ein Volumenstrom Verbrennungsluft Air durch eine Fördereinrichtung 2, insbesondere als Gebläse ausgebildet, angesaugt werden. 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. A volume flow of combustion air Air can be sucked in by a conveying device 2, in particular designed as a blower, via a combustion air supply 4, in which a flow sensor 12 can be arranged.

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 Volumenstrom Verbrennungsluft Air einen Volumenstrom Brenngas Gas aus einer Gaszuführung 14 zusetzen und ein Sicherheitsventil sowie ein Gasregelventil zur Steuerung des zuzusetzenden Volumenstrom Brenngas Gas umfassen. Das erzeugte Verbrennungsgemisch 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 11 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.The conveyor device 2 can be connected to a speed controller 6, which can regulate a speed n of the conveyor device 2 by means of a pulse width modulated (PWM) signal. A gas valve 5 can add a volume flow of combustion gas Gas from a gas supply 14 to the intake volume flow of combustion air Air and can comprise a safety valve and a gas control valve for controlling the volume flow of combustion gas Gas to be added. The combustion mixture produced from combustion gas and combustion air 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 11 into the burner 3. After combustion, the combustion products can be discharged to the outside via an exhaust pipe 9 of the heater and an exhaust system 10.

Das hier vorgeschlagenen Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet sein. Zudem kann das Heizgerät 1 an/ bzw. in der Brennertür 15 eine (Vorrichtung zur) Flammenüberwachung 13 aufweisen, die hier als Sensor für von der Flamme emittierte UV- (Ultraviolett-) Strahlung ausgebildet sein kann.The heating device 1 proposed here can be designed in particular for the combustion of hydrogen. In addition, the heating device 1 can have a (device for) flame monitoring 13 on/or in the burner door 15, which can be designed here as a sensor for UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame.

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, der Flammenüberwachung 13, dem Durchflusssensor 12 und einem Netzwerk 16 (Internet) elektrisch verbunden sein. Das Regel- und Steuergerät 7 kann zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet sein.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 flame monitor 13, the flow sensor 12 and a network 16 (Internet). The control and regulating device 7 can be set up to carry out a method proposed here.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können. Fig. 3 zeigt beispielhaft den Verlauf 20 der Drehzahl n der Fördereinrichtung 2 und einen analogen Verlauf 21 einer Öffnungsposition PGV des Gasventils 5 über die Zeit t. Erkennbar wird im Rahmen des Schrittes b) einer Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens das Gasventil 5 zum Zeitpunkt t=6 Sekunden geschlossen und somit die Öffnungsposition PGV des Gasventils 5 auf 0 gesetzt. Der erste Zeitpunkt 18 to kann unmittelbar vor dem Schließen des Gasventils 5 erfasst werden. Zudem kannThe Fig. 3 and 4 show parameter curves that can be achieved when carrying out a procedure proposed here. Fig.3 shows, by way of example, the curve 20 of the speed n of the conveyor 2 and an analogous curve 21 of an opening position P GV of the gas valve 5 over time t. As can be seen, in step b) of carrying out a method proposed here, the gas valve 5 is closed at time t=6 seconds and thus the opening position P GV of the gas valve 5 is set to 0. The first time 18 to can be recorded immediately before the gas valve 5 is closed. In addition,

Fig. 4 zeigt analog zu dem in Fig. 3 gegebenen Diagramm einen sich einstellenden Verlauf des Volumenstromes Verbrennungsluft 17. Vor dem Schließen des Gasventils 5 zum Zeitpunkt t= 6 Sekunden nimmt der Volumenstromes Verbrennungsluft einen ersten Wert 22 an, der Air (t 0) entspricht. Mit dem Schließen des Gasventils 5 steigt dieser zum zweiten Zeitpunkt 19 auf einen zweiten Wert 23 Air (t) an. Basierend auf der Änderung des Volumenstromes kann gemäß einem hier vorgeschlagenen Verfahren der Volumenstrom Brenngas Air (t 0) zum Zeitpunkt to bestimmt und auf ein virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λV (t) rückgeschlossen werden. Fig.4 shows analogous to the Fig.3 given diagram shows a course of the volume flow combustion air 17. Before closing the gas valve 5 at time t = 6 seconds, the volume flow combustion air takes a first Value 22, which corresponds to Air ( t 0 ). When the gas valve 5 closes, this increases to a second value 23 Air ( t ) at the second time 19. Based on the change in the volume flow V̇, the volume flow of the fuel gas Air ( t 0 ) at the time t0 can be determined according to a method proposed here and a virtual combustion air ratio λ V (t) can be deduced.

In Block 110 gemäß Schritt a) kann der dem Brenner zugeführte Volumenstrom Verbrennungsluft Air (t 0) 17 einem ersten Zeitpunkt 18 to erfasst werden und beispielsweise auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes 7 hinterlegt werden.In block 110 according to step a), the volume flow of combustion air Air ( t 0 ) 17 supplied to the burner can be recorded at a first point in time 18 t and stored, for example, in a memory of the control unit 7.

In Block 120 kann gemäß einem Schritt b) ein Öffnen oder Schließen des Gasventils 5 erfolgen. Dies kann durch eine Ansteuerung des Gasventils 5 durch das Regel- und Steuergerät 7 erfolgen.In block 120, the gas valve 5 can be opened or closed according to a step b). This can be done by controlling the gas valve 5 by the regulating and control device 7.

In Block 130 gemäß Schritt c) kann der Volumenstrom Verbrennungsluft 17 zum zweiten Zeitpunkt Air (t) erfasst werden. Der erfasste Volumenstrom Air (t) kann auf einem Speicher, beispielweise des Regel- und Steuergerätes 7 hinterlegt werden.In block 130 according to step c), the volume flow of combustion air 17 can be recorded at the second time Air ( t ). The recorded volume flow Air ( t ) can be stored in a memory, for example in the control unit 7.

In Block 140 kann gemäß einem Schritt d) ein Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit

  • R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
    Figure imgb0009
    , wenn das Gasventil 5 in Schritt b) (Block 120) geöffnet wurde und mit
  • R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
    Figure imgb0010
    , wenn das Gasventil 5 in Schritt b) (Block 120) geschlossen wurde.
Das ermittelte Verhältnis R(t) kann gleichfalls auf einem Speicher, beispielsweise des Regel- und Steuergerätes 7, hinterlegt werden.In block 140, according to a step d), a ratio R(t) with
  • R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
    Figure imgb0009
    if the gas valve 5 was opened in step b) (block 120) and with
  • R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
    Figure imgb0010
    if the gas valve 5 was closed in step b) (block 120).
The determined ratio R(t) can also be stored in a memory, for example in the control unit 7.

In Block 150 kann gemäß einem optionalen Schritt d) ein Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) mittels λ V t = R t A × 1 R t

Figure imgb0011
erfolgen.In block 150, according to an optional step d), a virtual combustion air ratio λ V (t) can be calculated by means of λ V t = R t A × 1 R t
Figure imgb0011
take place.

Nunmehr kann das in Schritt d) bestimmte virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λV(t) und/ oder das in Schritt c) bestimmte Verhältnis R(t) in Block 150 gemäß Schritt e) bewertet werden. Hierzu kann das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λV(t) und/ oder das Verhältnis R(t) mit einem Grenzwert oder einem Grenzbereich verglichen werden. Sollte eine Abweichung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) von dem, von der Verbrennungsregelung angenommenen, Verbrennungsluftverhältnis festgestellt werden, kann eine Korrektur des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgen, beispielsweise durch eine Anpassung des Volumenstromes Brenngas.Now the virtual combustion air ratio λ V (t) determined in step d) and/or the ratio R(t) determined in step c) can be evaluated in block 150 according to step e). For this purpose, the virtual combustion air ratio λ V (t) and/or the ratio R(t) can be compared with a limit value or a limit range. If a deviation of the virtual combustion air ratio λ V (t) from the combustion air ratio assumed by the combustion control is determined, the combustion air ratio can be corrected, for example by adjusting the volume flow of the fuel gas.

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.As a precaution, it should be noted that the numerals used here ("first", "second", ...) 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.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Heizgerätheater
22
FördereinrichtungConveyor system
33
Brennerburner
44
Zuführung VerbrennungsluftCombustion air supply
55
GasventilGas valve
66
DrehzahlreglerSpeed controller
77
Regel- und SteuergerätControl and regulation device
88
BrennkammerCombustion chamber
99
AbgasrohrExhaust pipe
1010
AbgasanlageExhaust system
1111
GemischkanalMixture channel
1212
DurchflusssensorFlow sensor
1313
FlammenüberwachungFlame monitoring
1414
GaszuführungGas supply
1515
BrennertürBurner door
1616
Netzwerknetwork
1717
Volumenstrom VerbrennungsluftCombustion air flow
1818
erster Zeitpunkt tofirst point in time to
1919
zweiter Zeitpunkt tsecond time t
2020
DrehzahlverlaufSpeed curve
2121
Verlauf Öffnungsposition Gasventil PGV Course opening position gas valve P GV
2222
erster Wertfirst value
2323
zweiter Wertsecond value

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1), aufweisend eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3) und ein Gasventil (5) zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Erfassen eines dem Brenner (3) zugeführten Volumenstromes Air (t 0) Verbrennungsluft (17) zu einem Zeitpunkt to(18), b) Öffnen oder Schließen des Gasventils (5), c) Erfassen des Volumenstromes Air (t) Verbrennungsluft (17) zu einem Zeitpunkt t (19) nach dem Öffnen oder Schließen des Gasventils in Schritt b), d) Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit - R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
Figure imgb0012
, wenn das Gasventil (5) in Schritt b) geöffnet wurde und mit
- R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
Figure imgb0013
, wenn das Gasventil (5) in Schritt b) geschlossen wurde.
Method for operating a heating device (1), comprising a conveying device (2) for conveying a combustion mixture of fuel gas and combustion air to a burner (3) and a gas valve (5) for controlling a flow rate of fuel gas, the method comprising at least the following steps: a) detecting a volume flow Air ( t 0 ) of combustion air (17) supplied to the burner (3) at a time to(18), b) opening or closing the gas valve (5), c) detecting the volume flow Air ( t ) of combustion air (17) at a time t (19) after opening or closing the gas valve in step b), d) Determine a ratio R(t) with - R t = V ˙ Air t V ˙ Air t 0
Figure imgb0012
if the gas valve (5) was opened in step b) and with
- R t = V ˙ Air t 0 V ˙ Air t
Figure imgb0013
if the gas valve (5) was closed in step b).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt e) ein Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) mittels λ V t = R t A × 1 R t
Figure imgb0014
erfolgt, wobei der Faktor A eine Mindestluftmenge der Verbrennung des Brenngases darstellt, und ein Bewerten des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) erfolgt.
Method according to claim 1, wherein in step e) a virtual combustion air ratio λ V (t) is calculated by means of λ V t = R t A × 1 R t
Figure imgb0014
where the factor A represents a minimum air quantity for the combustion of the fuel gas, and an evaluation of the virtual combustion air ratio λ V (t) is carried out.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in den Schritten a) und c) der Volumenstrom Air (t 0) bzw. Air (t) anhand eines Durchflusssensors (12) erfasst wird.Method according to claim 1 or 2, wherein in steps a) and c) the volume flow Air ( t 0 ) or Air ( t ) is detected using a flow sensor (12). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in den Schritten a) und c) auf den Volumenstrom Air (t 0) bzw. Air (t) anhand der Drehzahl n der Fördereinrichtung (2) rückgeschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in steps a) and c) the volume flow Air ( t 0 ) or Air ( t ) is determined on the basis of the rotational speed n of the conveying device (2). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Betrieb des Brenners (3) unterbrochen wird und eine Durchführung des Verfahrens sowohl bei dem damit verbundenen Schließen als auch dem Öffnen des Gasventils (5) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the operation of the burner (3) is interrupted and the method is carried out both during the associated closing and opening of the gas valve (5). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei einem Bewerten des Verhältnisses R(t) und/ oder des virtuelle Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) in Schritt e) mit einem vorgegebenen Referenzbereich und/ oder einem Grenzwert verglichen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein when evaluating the ratio R(t) and/or the virtual combustion air ratio λ V (t) in step e) it is compared with a predetermined reference range and/or a limit value. Verfahren nach Anspruch 6, wobei bei einem Verlassen des Referenzbereiches oder einem Unter- oder Überschreiten des Grenzwertes durch das Verhältnis R(t) und/ oder das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λV(t) wenigstens eine der folgenden Aktionen ausgeführt wird: - Anpassen des Volumenstromes Brenngas Gas , - außer Betrieb nehmen des Heizgeräts (1), - Verbringen des Heizgeräts (1) in einen Fehlerzustand, in dem eine erneute Inbetriebnahme blockiert ist, - Anzeigen, Bereitstellen und/ oder Versenden einer Information hierzu. Method according to claim 6, wherein when the reference range is left or the limit value is exceeded or undershot by the ratio R(t) and/or the virtual combustion air ratio λ V (t), at least one of the following actions is carried out: - Adjusting the volume flow of fuel gas Gas , - decommissioning the heater (1), - Bringing the heater (1) into a fault state in which a new Commissioning is blocked, - Displaying, providing and/or sending information about this. Regel- und Steuergerät (7) eingerichtet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.Regulating and control device (7) arranged to carry out a method according to one of claims 1 to 7. Heizgerät (1), umfassend eine Fördereinrichtung (2) und einen Durchflusssensor (12) zum Erfassen eines zugeführten Volumenstromes Verbrennungsluft Air (t) (17) sowie Mittel, die so angepasst sind, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführen.Heating device (1), comprising a conveying device (2) and a flow sensor (12) for detecting a supplied volume flow of combustion air Air ( t ) (17) and means which are adapted to carry out a method according to one of claims 1 to 7. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Heizgerät (1) nach Anspruch 9 die Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.Computer program comprising instructions which cause a heating device (1) according to claim 9 to carry out the method steps of a method according to one of claims 1 to 7.
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