EP4428436A2 - Verfahren zum betrieb eines variablen brenners, brenner und computerprogramm - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines variablen brenners, brenner und computerprogramm Download PDF

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EP4428436A2
EP4428436A2 EP24161385.0A EP24161385A EP4428436A2 EP 4428436 A2 EP4428436 A2 EP 4428436A2 EP 24161385 A EP24161385 A EP 24161385A EP 4428436 A2 EP4428436 A2 EP 4428436A2
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EP
European Patent Office
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burner
lambda
fuel gas
range
combustion
Prior art date
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Application number
EP24161385.0A
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English (en)
French (fr)
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EP4428436A3 (de
Inventor
Thomas Lemagnen
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4428436A2 publication Critical patent/EP4428436A2/de
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    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/02—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in parallel arrangement
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    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82—Preventing flashback or blowback
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/02—Controlling two or more burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/10—High or low fire

Definitions

  • the invention particularly relates to methods for operating a variable burner with a hydrogen-containing fuel gas, a burner suitable therefor and a computer program.
  • the typical operation of a hydrogen-fuelled heater is carried out mainly in the partial load range, requiring an increase in the air-gas ratio, i.e. the "lambda", which may result in a control curve that has a higher lambda at partial load than at nominal load.
  • This mode of operation is carried out with a fixed geometry burner and a single gas-air mixture channel, i.e. there are no structurally different configurations of the burner at partial load and nominal load during combustion, except for the gas-air mixture flow rate.
  • the use of such a burner and such operational management can entail several disadvantages.
  • the US 2013/0294192 A1 shows a concept for a burner with two burner surfaces. It is proposed to open and close the gas supply and the air supply of a burner surface separately to activate or deactivate it.
  • a method for operating a burner of a gas heating device with hydrogen-containing fuel gas is to be specified, which in many areas.
  • a stable combustion process should be adjustable, which is also gentler on the burner of the gas heater.
  • a method for operating a burner of a gas heater contributes to this, wherein the burner has a variably adjustable burner surface, and the gas heater can be operated with each of the burner surfaces with a minimum output (Pmin) and a maximum output (Pmax).
  • Pmin minimum output
  • Pmax maximum output
  • Each of the burner surfaces is assigned a flow barrier, which is arranged in or adjacent to the fuel gas mixture line, in the vicinity of the burner surface, in the combustion chamber of the burner and/or in the exhaust gas line.
  • Each of the burner surfaces can be operated with a power range of at least 2 kW [kilowatts].
  • At least one of the following parameters is used to activate and/or deactivate a burner surface: mass flow and/or volume flow of fuel gas and/or combustion air, combustion parameters, pressure parameters of a fuel gas supply and/or a combustion air supply, setting of flow adjustment devices for the fuel gas and/or the combustion air and/or an air-fuel gas mixture.
  • the heater is usually assigned an air line (also called combustion air supply) and a fuel gas line (also called fuel gas supply), whereby a The mass or volume flow of the air and/or the fuel gas is adjustable.
  • Air and fuel gas are at least partially (specifically) mixed upstream of the burner.
  • a fan can be used to convey (in particular to suck in) the air.
  • An (adjustable) fuel gas valve can be used to add the fuel gas to the air flow. It is possible for the air and fuel gas to be brought together downstream or (preferably) upstream of a fan. In the latter case, the fan conveys an air-fuel gas mixture to the burner, preferably on the pressure side.
  • the fan is positioned in the exhaust system of the heater and thus sucks in the air-fuel gas mixture through the burner.
  • burner geometries can be implemented for the burner, such as a flat/level burner, a cylindrical burner, a hemispherical burner or similar.
  • At least one flame arrester can be assigned to the burner.
  • the burner can be integrated into a so-called heat module (with a heat exchanger) or a heat exchanger can be assigned to it. It is possible to supply the burner with a fully or partially premixed air-fuel gas mixture.
  • the burner has a variably adjustable burner surface. This means in particular that the burner surface can be completely or partially exposed to an air-fuel gas mixture and then a flame forms (only) in the areas of the burner surface that are exposed to the flow. Where an air-fuel gas mixture flows through the burner surface or where a flame forms, the burner surface is active. Where no air-fuel gas mixture flows through the burner surface or where no flame forms, the burner surface is inactive.
  • the burner surface is divided into (in terms of area) equally sized partial burner surfaces, but this is not mandatory, but at least some of the partial burner surfaces can form larger and/or smaller partial burner surfaces. (maximum) burner surface is divided or can be divided into several, preferably at least three, four, five or six, partial burner surfaces. It is possible that one partial burner surface cannot be deactivated and all others can be deactivated and activated. It is possible that all partial burner surfaces can be deactivated and activated.
  • Local flow barriers are assigned to the burner surface, in particular one for each partial burner surface to be activated or deactivated.
  • the flow barriers can in particular be transferred in a controlled manner into two (end) positions, e.g. an OPEN position and a CLOSED position, whereby in an OPEN position the air-fuel gas mixture can flow through the flow barrier (and thus the assigned partial burner surface) and in a CLOSED position the air-fuel gas mixture can block the flow barrier (and thus the assigned partial burner surface), in particular completely block it.
  • the flow barriers are provided in or next to the fuel gas mixture line, in the vicinity of the burner surface, in the combustion chamber of the burner and/or the exhaust gas line. The positions of the flow barrier can be adjusted by moving and/or pivoting the flow barrier.
  • the flow barrier can cover part of the burner surface (impenetrably) and/or to divert the air-combustion gas mixture from a (deactivated) part of the burner surface, e.g. towards another (activated) part of the burner surface.
  • the flow barriers can in particular be pneumatically, mechanically and/or electrically actuated or adjustable.
  • the heater or burner can in particular be designed as shown in the DE 197 28 965 A1 so that full reference can be made to the design variants therein, in particular with regard to the design and/or arrangement of the flow barriers (flaps, partitions, injectors/gas nozzles, slide valves, orifices, etc.).
  • Each of the (partial) burner surfaces can be operated with a power range of (at least) 2.0 kW.
  • the heater is set up to operate a heat module or associated heat exchanger with at least a modulation range of 1:5 (efficiently).
  • the nominal load describes the maximum useful heat output from the boiler in continuous operation.
  • the burner is designed for this under nominal conditions.
  • the unit kilowatts is usually specified. This power is therefore actually available. Losses due to the conversion from one form of energy to another are already taken into account.
  • To adjust the partial load the mass or volume flow of fuel gas in particular can be reduced.
  • At least one of the parameters is therefore monitored/queried (permanently) during operation of the burner or gas heater.
  • the current value of at least one parameter can be compared with stored reference values and/or other parameter values.
  • the result of the comparison can be evaluated so that a decision can be made (automatically) as to whether the burner area should be increased or reduced or maintained.
  • the activation or deactivation signal can come from a sensor and/or an actuator. It can be, for example: a mass flow sensor (MFS) that measures either the air flow, the gas flow or the mixture flow; a temperature sensor, such as a thermocouple or a so-called hot surface ignitor (HSI), which measures the flame temperature; a fan; a gas volume flow meter; a gas valve.
  • MFS mass flow sensor
  • HSE hot surface ignitor
  • a threshold value can be stored in the memory board of a control unit and trigger the activation/deactivation of the (partial) burner area.
  • an MFS for example, an air mass flow value could be used.
  • the tolerances of the system can be reduced and more precise results achieved.
  • the use of an MFS and a temperature sensor would each provide information on the heat supply and the lambda of an operating point, whereby various threshold values, particularly in table form, can be provided for comparison.
  • the lambda value for each of the adjustable burner surfaces is preferably controlled within a range limited by a lower lambda limit at minimum power (Lu(min)), a lower lambda limit at maximum power (Lu(max)), as well as a lower lambda limit at minimum power (Lo(min)) and an upper lambda limit at maximum power (Lo(max)).
  • Lu(min) ⁇ Lu(max) ⁇ Lnominal ⁇ Lo(max) ⁇ Lo(min) In order to achieve optimum performance during hydrogen combustion, the lambda should remain fairly stable over the entire modulation or power range.
  • a type of lambda envelope curve is specified here, which describes a (permissible) upper lambda limit at maximum output and a (permissible) lower lambda limit at maximum output, and analogously a (permissible) upper lambda limit at minimum output and a corresponding (permissible) lower lambda limit at minimum output.
  • the definition of the lambda range in which operation is possible is determined taking into account the gas heater or the burner. In particular, it can depend on or be selected based on the nominal heat supply, the partial load heat supply, a number of adjustable partial burner surfaces, and a specified nominal lambda (at nominal heat supply).
  • the Lu(min) is the smallest lambda value of a lower lambda curve over the power range
  • Lo(max) is the smallest lambda value of an upper lambda curve over the power range.
  • the lower lambda curve and the upper lambda curve envelop, in particular, permissible lambda values around a predetermined nominal lambda.
  • the lower lambda value (Lu) increases from P(min) to P(max), in particular increases linearly.
  • the upper lambda value (Lo) decreases from P(min) to P(max), in particular decreases linearly.
  • the distance from the upper lambda value (Lo) to the lower lambda value (Lu) decreases from P(min) to P(max) over the power range.
  • the lower lambda curve and the upper lambda curve can be mirror-symmetrical to one another over the power range (or modulation range) to a straight line through the nominal lambda.
  • the upper lambda limit Lo(max) corresponds in particular to the following specification: nominal lambda x (1.0 + SK), where SK is in the range from 0.05 to 0.01, preferably in the range from 0.07 to 0.08.
  • SK referred to here as the stability coefficient
  • the lower lambda limit Lu(max) corresponds in particular to the following specification: nominal lambda x (1.0 - SK).
  • the system is now considered at minimum power (partial load):
  • the lower lambda limit Lu(min) corresponds in particular to the following specification: nominal lambda x (1.0 - VK), where VK is in the range from 0.1 to 0.2, preferably in the range from 0.12 to 0.17.
  • VK (referred to here as the variability coefficient) is in particular 15%.
  • the upper lambda limit Lo(min) corresponds in particular to the following specification: nominal lambda x (1.0 + VK). If the fan is running slowly, i.e. the situation P(min) applies, the variability coefficient should be applied in order to take into account the system-related speed control tolerances, which are larger in this situation than at higher speeds.
  • the value for VK can be selected to be at least 1.2 times, in particular 2 times, and a maximum of 2.7 times larger than the value for SK.
  • a larger lambda window is specified than for P(max).
  • the lambda upper limit over the entire modulation range is not more than 1.80, in particular not more than 1.65, in particular not more than 1.50 and particularly preferably not more than 1.45.
  • the lambda lower limit over the entire modulation or power range is not less than 1.00.
  • At least three different burner surfaces can be set, with the output range for each of the burner surfaces being at least 7 kW [kilowatts].
  • the heat output of a (partial) burner surface (each) is greater than 7 kW by a factor of 1, e.g. by a factor of 2, or even 2.5, or even 3.0.
  • At least one limit value and/or one tolerance range is provided, which is linked to one of the determined parameters for activation and/or Deactivation of a burner surface is compared and that when the limit value is reached or the tolerance range is left, one of the burner surfaces is automatically activated or deactivated.
  • the limit values and/or tolerance ranges for one or more parameters can be stored electronically and can be called up.
  • the limit value and/or tolerance range can be rigidly specified (e.g. device-dependent). It is possible that the limit value and/or tolerance range are variable, for example they can be adjusted during operation of the gas heater (independently or manually).
  • a burner of a gas heater wherein the burner has a variably adjustable burner surface and means that are adapted to carry out the steps of the method disclosed here.
  • the explanations of the method can be used in full, and vice versa.
  • a gas heater with a burner that includes a regulation and control unit that is set up to operate the burner according to the method disclosed here.
  • the regulation and control unit can include a computing unit, a storage unit, a signal or data comparator, etc. that are set up accordingly. Sensors, switches, etc. can be provided that are actuated or read out as part of the method.
  • a computer program comprising instructions that cause the burner specified here to carry out the steps of the method disclosed here.
  • a computer-readable medium can be provided on which the computer program is stored.
  • variable geometry burner offers the possibility of adjusting the pressure drops.
  • MSP modulation set point
  • the pressure drop of the burner is reduced, so the fan can be less powerful or smaller to reach the nominal load than with a fixed geometry burner.
  • Using a less powerful fan (or other device that sets the flow in motion) also offers the possibility of reducing the noise level of the device, especially when operating at nominal load.
  • a pneumatic gas valve with the thermal module.
  • a throttle setting can be made to set the gas flow at nominal load.
  • a reference pressure point is read from the component and used to set the gas flow. This setting should not be changed in the field.
  • a pressure offset which is also included in the gas flow setting, is used to accurately set the lambda value at partial load. This setting should not be changed in the field.
  • Operating a hydrogen boiler with a pneumatic gas valve and with a fixed geometry burner is possible, but entails the need to set the pressure offset (factory setting) to a very low value, such as -30 Pascal. This has disadvantages in certain situations that can be avoided if the lambda control curve remains flat over the modulation range of the device.
  • This method of operating the burner and the heat module moves the distance to the flashback limit away, thereby increasing safety during operation.
  • the lambda control curve In a burner with a fixed geometry, the lambda control curve must rise sharply at partial load to avoid flashback, ie the fuel gas-air mixture must be leaner at partial load.
  • the emissions of unburned Hydrogen gas emissions can become high at lambda values above 2.5 and higher as the mixture becomes leaner. These emissions should be avoided.
  • flame stability is compromised when a hydrogen burner is operated with lean mixtures; this can lead to combustion noise or loss of flame.
  • the use of a variable geometry burner makes it possible to remain at a lower lambda level and thus avoid the two problems mentioned above.
  • Fig.1 shows a burner 1 of a gas heater 2, wherein the burner 1 has a variably adjustable burner surface 3.
  • the gas heater 2 can be operated with each of the burner surfaces 3 with a minimum power (Pmin) and a maximum power (Pmax), wherein each of the burner surfaces 3 can be operated with a power range of at least 2.0 kW [kilowatts].
  • an air line 11 is shown schematically, which can be designed with an air mass flow sensor 6 and with which air can be sucked in from the surroundings of the gas heater 2 and fed to the burner 1.
  • a fuel gas line 12 opens into the air line 11, via which hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas can be introduced into the air.
  • a A controllable fuel gas valve 5 and, if necessary, a fuel gas mass flow sensor 7 are provided in the fuel gas line 12.
  • the fuel gas-air mixture is conveyed through a fuel gas mixture line 10 to the burner 1.
  • a fan 4 in the fuel gas mixture line 10 contributes to this.
  • an inflow area 16 Downstream of the fan 4, in particular in the burner 1, an inflow area 16 is provided towards the burner surface 3. This is divided into several partial inflow areas (16a, 16b, 16c, 16d, 16e), for example by partitions that separate the partial inflow areas (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) from one another. In the partial inflow areas (16a, 16b, 16c, 16d, 16e), identical or similar flow barriers can be provided, here as a pivotable actuator 17 with a flap. The actuators 17 can be used to open and/or close the partial inflow areas (16a, 16b, 16c, 16d, 16e).
  • a premixed fuel gas-air mixture is fed to the burner surface 3 (which is flat here) through the blower 4 and via the (open) partial inflow areas (16a, 16b, 16c, 16d, 16e).
  • Each partial inflow area (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) is assigned a section of the burner surface 3, so that a plurality of partial burner surfaces (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) are formed.
  • the partial burner surfaces in which the associated partial inflow areas are open are active, i.e. combustion or flame formation takes place there.
  • the partial burner surfaces in which the associated partial inflow areas are closed are inactive/deactivated, i.e. no combustion or flame formation takes place there.
  • the five partial burner surfaces (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) can be set so that the power range for each of the partial burner surfaces (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) is approximately 7 kW.
  • the flame or the surrounding parameters around it can be observed with a flame sensor 9.
  • the fuel gas-air mixture burning under the burner surface 3 with one or more flames develops heat, which is transferred to a downstream heat exchanger 14.
  • the resulting exhaust gas can flow out via an exhaust pipe 15.
  • control unit 13 is schematically provided, which is connected in particular to a selection or all of the following components, wherein the control unit 13 can in particular receive, send and/or process signals, measured values and/or control signals: air mass flow sensor 6, fuel gas valve 5, blower 4, fuel gas mass flow sensor 7, air-fuel gas mixture volume flow sensor 8, actuator(s) 17, flame sensor 9.
  • the device is set up in such a way that at least one of the following parameters is used to activate and/or deactivate a (partial) burner surface 3: mass flow and/or volume flow of fuel gas and/or combustion air (by means of the sensors 6, 7, 8), a pressure signal at the fuel gas supply and/or at the combustion air supply (e.g. with the aid of a Venturi arrangement on/in the air line 12 and/or fuel gas line 11), combustion parameters (by means of the flame sensor 9), setting of flow adjustment devices (fuel gas valve 5, fan 4) for the fuel gas and/or the combustion air and/or an air-fuel gas mixture.
  • mass flow and/or volume flow of fuel gas and/or combustion air by means of the sensors 6, 7, 8
  • a pressure signal at the fuel gas supply and/or at the combustion air supply e.g. with the aid of a Venturi arrangement on/in the air line 12 and/or fuel gas line 11
  • combustion parameters by means of the flame sensor 9
  • setting of flow adjustment devices fuel gas valve 5, fan 4 for the fuel gas and
  • At least one limit value and/or a tolerance range can be provided via the control unit 13, which is compared with one of the determined parameters for activating and/or deactivating a (partial) burner surface 3. If the limit value is reached or the tolerance range is exceeded, one of the (partial) burner surfaces 3 can be automatically activated or deactivated.
  • Fig.2 shows an example of possible control curves for a burner 1 with a fixed, i.e. non-variable geometry or burner surface (curve marked with "3") and a burner 1 with variable geometry or three partial burner surfaces 3a, 3b, 3c.
  • the diagram shows the air-fuel gas ratio, ie "lambda", over the heat supply Qc [kW].
  • the significant increase in lambda at partial load is determined by the above-mentioned constraints. This can be adjusted more independently with a burner 1 with variably adjustable burner surface 3.
  • Fig.3 It is clear that the efficiency ⁇ or the net efficiency E decreases with increasing lambda (compared at a predetermined exhaust gas temperature and here, for example, up to a maximum of 68°C). Consequently, an increase in efficiency can be achieved when using a burner 1 with a variable burner surface 3.
  • the activation and/or deactivation of a burner surface 3 can take place in particular based on a determined and/or expected efficiency.
  • Fig.4 illustrates the speeds of the fuel gas-air mixture and the flame at a constant lambda of 1.3.
  • the burner surface 3 is provided with a large number of holes through which flow can take place.
  • the flame speed in the case of hydrogen depends mainly on two influencing factors, namely the temperature of the fuel gas-air mixture in front of the flame and the lambda value.
  • the flame speed, which is defined by the (horizontal) line c in Fig.4 was derived at constant lambda (1.3) and constant temperature (here approx. 560°C).
  • the rising line a represents the speed of the fuel gas-air mixture in a burner 1 with a fixed or non-variably adjustable burner surface 3.
  • the speed of the fuel gas-air mixture can drop to such an extent that it is lower than the flame speed (line c) (which is very high for hydrogen), and a flashback occurs.
  • the (jagged) curve b represents the speed of the fuel gas-air mixture when using a component with three partial burner surfaces 3a, 3b, 3c.
  • the burner 1 offers a first cross-section of 250 mm 2 up to 12 kW (partial burner surface 3a), a cross-section of 600 mm 2 up to 24 kW (with additional partial burner surface 3b), a cross-section of 1200 mm 2 cross-section over 24 kW (with additional partial burner surface 3c).
  • the speed of the fuel gas-air mixture can be controlled over the entire modulation range above the flame speed (line c), in particular including a safety threshold of (at least) 10% (line d).
  • the activation and/or deactivation of a burner surface 3 can take place in particular based on a determined or expected speed of the fuel gas-air mixture and/or the flame.
  • Fig.5 illustrates a so-called lambda envelope curve for a burner 1 with three partial burner surfaces 3a, 3b, 3c.
  • the lambda should remain largely stable over the entire modulation range.
  • a lambda envelope curve should be included, which is described in more detail below.
  • the definition of the lambda range in which operation is to take place must be agreed for each heating device. It depends on the following parameters: nominal heat supply; partial load heat supply; number of partial burners; nominal lambda (at nominal heat supply).
  • two constant coefficients which were determined or adapted as part of the work underlying the invention, are introduced for the "minimum” and “maximum” operation of the (partial) burner surfaces: a stability coefficient (SK) of preferably approx. 7.5% and a variability coefficient (VK) of preferably approx. 15%. If the fan is running fast, the stability coefficient SK must be applied to take into account the system-related tolerances. At this value, in particular, the relative speed deviations are smaller than at low speeds. If the fan is running at low speed, the variability coefficient VK should be applied for larger tolerances.
  • Fig.5 illustrates an upper lambda curve (line x) and a lower lambda curve (line z) over the power range (Qc).
  • the lambda at 30 kW (nominal load) has the (nominal) value 1.25 (line y).
  • the maximum/minimum lambda deviation is compared to the nominal lambda the stability coefficient.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1) eines Gasheizgerätes (2), wobei der Brenner (1) eine variabel einstellbare Brennerfläche (3) aufweist, und das Gasheizgerät (2) mit jeder der Brennerflächen (3) mit einer minimalen Leistung (Pmin) und einer maximalen Leistung (Pmax) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Brennerflächen (3) eine Strömungsbarriere, angeordnet in bzw. anschließend der Brenngasgemischleitung (10), in Nachbarschaft der Brennerfläche (3), im Verbrennungsraum des Brenners (1) und/oder der Abgasleitung (15), zugeordnet ist und jede der Brennerflächen (3) mit einem Leistungsbereich von zumindest 2 kW betreibbar ist, wobei mindestens einer der nachfolgend genannten Parameter zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche (3) herangezogen wird: Massenstrom und/oder Volumenstrom von Brenngas und/oder Verbrennungsluft, Druckparameter einer Brenngaszufuhr und/oder einer Verbrennungsluftzufuhr, Verbrennungsparameter, Einstellung von Strömungseinstellgeräten (5, 4) für das Brenngas und/oder die Verbrennungsluft und/oder ein Luft-Brenngas-Gemisches. Weiter werden ein Brenner (1) und ein Computerprogramm offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zum Betrieb eines variablen Brenners mit einem Wasserstoff-haltigen Brenngas, einen dafür geeigneten Brenner und ein Computerprogramm.
  • Die Verbrennung von Wasserstoff in Heizgeräten für die breite Öffentlichkeit steht am Anfang ihrer Entwicklung. Bei der Konstruktion eines Wasserstoffheizmoduls muss insbesondere die Geschwindigkeit der Wasserstoffflamme berücksichtigt werden, die etwa siebenmal so schnell ist wie die von Erdgas (NG). Diese Eigenschaft führt zu erheblichen Unterschieden in der Brennerkonstruktion und im Betrieb im Vergleich zu erdgasbetriebenen Heizgräten.
  • Um dieser physikalischen Eigenschaft Rechnung zu tragen, wird der typische Betrieb eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräts vor allem im Teillastbereich durchgeführt, wobei das Luft-Gas-Verhältnis, d.h. das "Lambda", erhöht werden muss, was möglicherweise zu einer Regelkurve führt, die bei Teillast ein höheres Lambda aufweist als bei Nennlast. Diese Betriebsweise wird mit einem Brenner mit fester Geometrie und einem einzigen Gas-Luft-Gemischkanal durchgeführt, d.h. es gibt während der Verbrennung keine baulich unterschiedlichen Konfigurationen des Brenners bei Teillast und Nennlast, mit Ausnahme der Durchflussmenge an Gas-Luft-Gemisch. Die Verwendung eines solchen Brenners und eines solchen Betriebsmanagements kann mehrere Nachteile mit sich bringen.
  • Eine Möglichkeit, das Lambda-Management eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräts ähnlich wie bei den bekannten erdgasbetriebenen Heizgeräten anzuführen, könnte der Einsatz einer variablen Brenner-Geometrie sein, d. h. eines komplexeren Brenners. Ein solches Konzept geht beispielsweise aus der DE 197 28 965 A1 hervor. Dort wird ein vormischender Gebläsebrenner vorgeschlagen, dessen Brennerplatte mit einem teilweise absperrbaren Gemsichzuführraum ausgeführt ist, so dass die Brennerplatte nur teilweise aktiv ist. Damit ist ermöglicht, dass die im Betrieb verbleibenden Bereiche des Brenners mit der der vollen Leistung entsprechenden Flächenleistung betrieben wird und somit der Brennerbetrieb stabil bleibt.
  • Auch die US 2013/0294192 A1 zeigt ein Konzept für einen Brenner mit zwei Brennerflächen. Es wird vorgeschlagen, voneinander getrennt die Gaszufuhr und die Luftzufuhr einer Brennerfläche zur Aktivierung bzw. Deaktivierung derselben zu öffnen bzw. zu schließen.
  • Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich diese Konzepte bei einer Wasserstoffverbrennung praktisch nicht im Teillastbetrieb mit dem bei Nennlast üblichen Lambda umzusetzen ist. Denn selbst bei verbesserter Brennerkühlung wird der Brenner bei Teillast zu heiß, um eine Verbrennung bei konstantem Lambda aufrechtzuerhalten. Dies ist auf die oben erwähnte Eigenschaft der Flammengeschwindigkeit sowie auf zusätzliche Eigenschaften der Wasserstoffflamme (in den meisten Fällen kürzer und näher am Brenner im Vergleich zur Erdgasanwendung) zurückzuführen.
  • Es besteht also der Wunsch nach einem effizienten, robusten Verbrennungsprozess bei einem Heizgerät, dass mit Wasserstoff betrieben wird, insbesondere auch bei Teillast.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zu lindern und/oder dem vorstehend genannten Wunsch einen geeigneten Lösungsansatz zu bieten. Insbesondere soll ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Gasheizgerätes mit wasserstoffhaltigem Brenngas angegeben werden, dass in weiten Bereichen moduliert werden kann. Dabei soll ein stabiler Verbrennungsprozess einstellbar sein, der insbesondere auch schonender für den Brenner des Gasheizgerätes ist.
  • Hierzu trägt ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Gasheizgerätes bei, wobei der Brenner eine variabel einstellbare Brennerfläche aufweist, und das Gasheizgerät mit jeder der Brennerflächen mit einer minimalen Leistung (Pmin) und einer maximalen Leistung (Pmax) betreibbar ist. Jeder der Brennerflächen ist eine Strömungsbarriere zugeordnet, die in bzw. anschließend der Brenngasgemischleitung, in Nachbarschaft der Brennerfläche, im Verbrennungsraum des Brenners und/oder in der Abgasleitung angeordnet ist. Jede der Brennerflächen ist mit einem Leistungsbereich von zumindest 2 kW [Kilowatt] betreibbar. Mindestens einer der nachfolgend genannten Parameter wird dabei zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche herangezogen: Massenstrom und/oder Volumenstrom von Brenngas und/oder Verbrennungsluft, Verbrennungsparameter, Druckparameter einer Brenngaszufuhr und/oder einer Verbrennungsluftzufuhr, Einstellung von Strömungseinstellgeräten für das Brenngas und/oder die Verbrennungsluft und/oder ein Luft-Brenngas-Gemisches.
  • Bei dem Gasheizgerät handelt es sich insbesondere um eines, das eingerichtet für die Verbrennung eines Wasserstoff-haltigen Brenngases ist, insbesondere mit einem Anteil Wasserstoff oberhalb 95%. Hinsichtlich des Aufbaus des Gasheizgerätes können verschiedene Konfigurationen eingesetzt werden, wie zum Beispiel:
    • wandhängende Heizkessel, insbesondere Brennwertheizkessel,
    • Kombikessel mit einfachem oder doppeltem Anschluss für Zentralheizung und/oder Warmwasserbereitung,
    • Heizgeräte mit einer einzelnen Abgasanlage oder einer Mehrfachbelegung.
  • Dem Heizgerät ist üblicherweise eine Luftleitung (auch Verbrennungsluftzufuhr genannt) und eine Brenngasleitung (auch Brenngaszufuhr genannt) zugeordnet, wobei ein Massen- bzw. Volumenstrom der Luft und/oder des Brenngases einstellbar ist. Luft und Brenngas werden zumindest teilweise stromauf des Brenners (gezielt) gemischt. Zur Förderung (insbesondere Ansaugung) der Luft kann ein Gebläse eingesetzt werden. Zur Zugabe des Brenngases zum Luftstrom kann ein (regelbares) Brenngasventil eingesetzt werden. Es ist möglich, dass die Zusammenführung von Luft und Brenngas stromab oder (bevorzugt) stromauf eines Gebläses erfolgt. Im letzteren Fall fördert das Gebläse ein Luft-Brenngas-Gemisch hin zum Brenner, bevorzugt auf der Druckseite. Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei denen das Gebläse in der Abgasanlage des Heizgerätes positioniert ist und damit das Luft-Brenngas-Gemisch durch den Brenner ansaugt.
  • Für den Brenner können verschiedene Brennergeometrien realisiert sein, wie zum Beispiel ein flacher / ebener Brenner, ein zylindrischer Brenner, ein halbkugelförmigen Brenner oder ähnliches. Dem Brenner kann mindestens eine Flammensperre zugeordnet sein. Der Brenner kann in ein so genanntes Wärmemodul (mit einem Wärmetauscher) integriert sein oder ihm kann ein Wärmetauscher zugeordnet sein. Es ist möglich, dem Brenner ein vollständig oder teilweise vorgemischtes Luft-Brenngas-Gemisch zuzuführen.
  • Der Brenner hat eine variabel einstellbare Brennerfläche. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Brennerfläche vollständig oder teilweise von einem Luft-Brenngas-Gemisch angeströmt werden kann und sich dann (nur) in den jeweils angeströmten Bereichen der Brennerfläche eine Flamme ausbildet. Dort, wo Luft-Brenngas-Gemisch durch die Brennerfläche strömt bzw. wo sich eine Flamme ausbildet, ist die Brennerfläche aktiv. Dort, wo kein Luft-Brenngas-Gemisch durch die Brennerfläche strömt bzw. wo sich keine Flamme ausbildet, ist die Brennerfläche inaktiv.
  • Es ist möglich, dass die Brennerfläche in (flächenmäßig) gleichgroße Teil-Brennerflächen unterteilt ist, dies ist aber nicht zwingenden, sondern zumindest ein Teil der Teil-Brennerflächen können größer und/oder kleinere Teil-Brennerflächen bilden. Dabei ist eine (maximale) Brennerfläche in mehrere, bevorzugt mindestens drei, vier, fünf oder sechs, Teil-Brennerflächen unterteilt bzw. unterteilbar. Es ist möglich, dass eine Teil-Brennerfläche nicht deaktivierbar ist und alle anderen deaktivierbar und aktivierbar sind. Es ist möglich, dass alle Teil-Brennerflächen deaktivierbar und aktivierbar sind.
  • Der Brennerfläche sind lokale Strömungsbarrieren zugeordnet sind, insbesondere jeweils eine für jede zu aktivierende bzw. deaktivierende Teil-Brennerfläche. Die Strömungsbarrieren können insbesondere kontrolliert in zwei (End-)Stellungen überführt werden, z. B. einer OFFEN-Stellung und einer GESCHLOSSEN-Stellung, wobei in einer OFFEN-Stellung das Luft-Brenngas-Gemisch die Strömungsbarriere (und damit die zugeordnete Teil-Brennerfläche) durchströmen und in einer GESCHLOSSEN-Stellung das Luft-Brenngas-Gemisch die Strömungsbarriere (und damit die zugeordnete Teil-Brennerfläche) blockieren, insbesondere vollständig blockieren, kann. Die Strömungsbarriere sind im bzw. anschließend der Brenngasgemischleitung, in Nachbarschaft der Brennerfläche, im Verbrennungsraum des Brenners und/oder der Abgasleitung vorgesehen. Die Stellungen der Strömungsbarriere kann durch Verschieben und/oder Verschwenken der Strömungsbarriere einstellbar sein. Es ist möglich, dass die Strömungsbarriere einen Teil der Brennerfläche (undurchdringbar) abdecken und/oder das Luft-Brenngas-Gemisch von einem (deaktivierten) Teil der Brennerfläche ablenken, z.B. hin zu einer anderen (aktivierten) Teil-Brennerfläche. Die Strömungsbarrieren können insbesondere pneumatisch, mechanisch und/oder elektrisch betätigbar bzw. verstellbar sein.
  • Das Heizgerät bzw. der Brenner kann insbesondere so ausgeführt sein, wie in der DE 197 28 965 A1 beschrieben, so dass insbesondere auf die dortigen Ausführungsvarianten vollständig Bezug genommen werden kann, insbesondere hinsichtlich der Ausführung und/oder Anordnung der Strömungsbarrieren (Klappen, Trennwände, Injektoren / Gasdüsen, Schieber, Blenden, etc.).
  • Jeder der (Teil-)Brennerflächen ist mit einem Leistungsbereich von (mindestens) 2,0 kW betreibbar. Ein Modulationsbereich beschreibt das Verhältnis zwischen der Teillast (Pmin) und der Nennlast (Pmax) und bedeutet, dass bei einem Modulationsbereich von 1 : 5 eine Nennlast vorliegt, die fünf Mal höher ist als seine Teillast (= 20%). Insbesondere ist das Heizgerät eingerichtet, zumindest mit einem Modulationsbereich von 1 : 5 (effizient) ein Wärmemodul bzw. zugeordnete Wärmetauscher zu betreiben. Die Nennlast beschreibt die maximal im Dauerbetrieb vom Heizkessel abgegebene Nutzwärmeleistung. Für diese ist der Brenner bei Nennbedingungen ausgelegt. Gebräuchlich ist die Angabe in der Einheit Kilowatt. Diese Leistung steht also tatsächlich zur Verfügung. Verluste durch die Umwandlung von einer Energieform in die andere sind bereits berücksichtigt. Zur Einstellung der Teillast kann insbesondere der Massen- bzw. Volumenstrom von Brenngas reduziert werden.
  • Zur (automatischen) Aktivierung und/oder Deaktivierung einer (Teil-)Brennerfläche wird mindestens einer der nachfolgend näher beschriebenen Parameter herangezogen.
    • Ein Massenstrom Brenngas und/oder Verbrennungsluft bzw. eines Gemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft; dieser kann gemessen und/oder berechnet werden.
    • Ein Volumenstrom von Brenngas und/oder Verbrennungsluft bzw. eines Gemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft, dieser kann gemessen und/oder berechnet werden.
    • Ein Verbrennungsparameter, wie insbesondere zumindest einer ausgewählt aus der folgenden Gruppe: eine Flammentemperatur, eine Brennertemperatur, eine Strömungsgeschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches im Bereich der Brennerfläche, eine Flammengeschwindigkeit, eine Flammengüte, eine Flammenabstand zur Brennerfläche, ein Wärmestrom im Bereich des Wärmemoduls bzw. des Wärmetauschers.
    • Ein Druckparameter, insbesondere im Bereich einer Venturi-Anordnung an/in der Brenngaszufuhr und/oder an/in der Verbrennungsluftzufuhr.
    • Eine Einstellung von Strömungseinstellgeräten für das Brenngas und/oder die Verbrennungsluft und/oder ein Luft-Brenngas-Gemisches, also z.B. eine Drehzahl eines Gebläses und/oder eine Ventilstellung eines Brenngasventils; diese können beispielsweise sensorisch oder elektronisch abgefragt werden.
  • Zumindest einer der Parameter wird demnach insbesondere (permanent) während des Betriebes des Brenners bzw. des Gasheizgerätes überwacht / abgefragt. Der aktuelle Werte des mindestens einen Parameters kann mit gespeicherten Richtwerten und/oder anderen Werten der Parameter verglichen werden. Das Ergebnis des Vergleichs kann bewertet werden, so dass (automatisch) eine Entscheidung getroffen werden kann, ob die Brennerfläche vergrößert oder verkleinert bzw. beibehalten wird.
  • Das Aktivierungs- bzw. Deaktivierungssignal kann von einem Sensor und/oder von einem Aktor kommen. Es kann sich beispielsweise um Folgendes handeln: einen Massendurchflusssensor (MFS), der entweder den Luftstrom, den Gasstrom oder den Gemischstrom misst; ein Temperatursensor, wie ein Thermoelement oder ein sogenannter Hot Surface Ignitor (HSI), der die Flammentemperatur misst; ein Gebläse; ein Gasvolumendurchflussmesser; ein Gasventil.
  • Wird nur ein Signal/Parameter ausgewertet, so kann ein Schwellenwert in der Speicherplatine einer Regel- und Steuereinheit gespeichert und das Aktivieren/Deaktivieren der (Teil-)Brennerfläche auslösen. Bei Verwendung eines MFS könnte beispielsweise ein Luftmassenstromwert verwendet werden. Durch die Verwendung von zwei oder mehr Signalen/Parametern lassen sich die Toleranzen des Systems verringern und genauere Ergebnisse erzielen. So würde beispielsweise die Verwendung eines MFS und eines Temperatursensors jeweils Informationen über die Wärmezufuhr und das Lambda eines Betriebspunktes bereitstellen, wobei bevorzugt diverse Schwellenwerte, insbesondere in Tabellenform, zum Vergleich bereitgestellt werden können, vorteilhaft genutzt werden.
  • Bei der Verwendung von zwei oder mehr Signalen/Parametern besteht zudem eine weitreichendere Möglichkeit, ein intelligenteres System einzurichten, dass beispielsweise die Differenz zwischen der Gemisch-Einströmgeschwindigkeit und der Flammengeschwindigkeit bestimmt bzw. ableitet. Die Differenz dieser Geschwindigkeiten könnte dann mit einer (vorgegebenen bzw. gespeicherten) Mindestschwelle verglichen werden, die nicht überschritten werden darf und das Aktivieren/Deaktivieren der (Teil-)Brennerfläche auslösen würde.
  • Die Regelung des Lambdawertes für jede der einstellbaren Brennerflächen erfolgt bevorzugt in einem Bereich, der durch eine Lambdauntergrenze bei minimaler Leistung (Lu(min)), eine Lambdauntergrenze bei maximaler Leistung (Lu(max)), sowie eine Lambdauntergrenze bei minimaler Leistung (Lo(min)) und eine Lambdaobergrenze bei maximaler Leistung (Lo(max)) begrenzt ist. Dabei soll insbesondere stets gelten: Lu(min) < Lu(max) < Lo(max) < Lo(min), bzw. insbesondere Lu(min) < Lu(max) < Lnominal < Lo(max) < Lo(min). Um eine optimale Leistung bei der Wasserstoffverbrennung zu erzielen, soll das Lambda über den gesamten Modulations- bzw. Leistungsbereich recht stabil bleiben. Aus diesem Grund wird hier eine Art Lambda-Hüllkurve angegeben, die jeweils eine (zulässige) Lambdaobergrenze bei maximaler Leistung und eine jeweils eine (zulässige) Lambdauntergrenze bei maximaler Leistung, und analog dazu eine (zulässige) Lambdaobergrenze bei minimaler Leistung und eine entsprechende (zulässige) Lambdauntergrenze bei minimaler Leistung beschreibt. Die Definition des Lambda-Bereichs, in dem der Betrieb möglich ist, wird unter Berücksichtigung des Gasheizgerätes bzw. des Brenners festgelegt. Er kann insbesondere von der Nennwärmezufuhr, der Teillast-Wärmezufuhr, einer Anzahl der einstellbaren Teil-Brennerflächen; einem vorgegebenen Nennlambda (bei Nennwärmezufuhr) abhängig bzw. ausgewählt sein.
  • Hier wird vorgeschlagen, für jede (Teil-)Brennerfläche den Leistungsbereich zu betrachten, wobei bei Teillast (Pmin) ein Lambda-Bereich von Lu(min) und Lo(min) vorliegt und bei Nennlast (Pmax) ein Lambda-Bereich von Lu(max) und Lo(max). Insbesondere ist der Lu(min) der kleinste Lambda-Wert einer unteren Lambda-Kurve über den Leistungsbereich und Lo(max) der kleinste Lambda-Wert einer oberen Lambda-Kurve über den Leistungsbereich. Untere Lambda-Kurve und obere Lambda-Kurve umhüllen insbesondere zulässigen Lambdawerte um ein vorgegebenes Nominal-Lambda. Es ist möglich, dass der untere Lambda-Wert (Lu) von P(min) zu P(max) ansteigt, insbesondere linear ansteigt. Es ist möglich, dass der obere Lambda-Wert (Lo) von P(min) zu P(max) abfällt, insbesondere linear abfällt. Es ist möglich, dass der Abstand von oberem Lambda-Wert (Lo) zu unterem Lambda-Wert (Lu) über den Leistungsbereich sich von P(min) zu P(max) verkleinert. Untere Lambda-Kurve und obere Lambda-Kurve können über den Leistungsbereich (bzw. Modulationsbereich) zueinander spiegelsymmetrisch zu einer Geraden durch den Nominal-Lambda ausgebildet sein.
  • Für jede der einstellbaren Brennerfläche kann die gleiche Lambdauntergrenze (Lu) und Lambdaobergrenze (Lo) vorgegeben sein. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass unabhängig vom Umfang der aktivierten bzw. deaktivierten (Teil-)Brennerfläche(n) über den Leistungsbereich dieselben Wert von Lambdauntergrenzen (Lu(min) and Lu(max)) und Lambdaobergrenzen (Lo(min) und Lo(max)) eingehalten wird.
  • Betrachtet wird nun zunächst die Einrichtung bei maximaler Leistung: Die Lambdaobergrenze Lo(max) entspricht insbesondere folgender Vorgabe: nominales Lambda x (1,0 + SK), wobei SK im Bereich von 0,05 bis 0,01, bevorzugt im Bereich von 0,07 bis 0,08, liegt. SK (hier als Stabilitätskoeffizient bezeichnet) liegt insbesondere bei 7,5 %. Die Lambdauntergrenze Lu(max) entspricht insbesondere der folgenden Vorgabe: nominales Lambda x (1,0 - SK). Wenn das Gebläse schnell läuft, also die Situation P(max) vorliegt, soll der Stabilitätskoeffizient angewandt werden, um die systembedingte Drehzahl-Regel-Toleranzen zu berücksichtigen, die in dieser Situation üblicherweise geringer sind als bei niedrigen Drehzahlen. Daher kann der Wert für SK relativ klein gehalten werden, so dass im Fall P(max) ein relativ kleines Lambdafenster vorgegeben sein kann.
  • Betrachtet wird nun die Einrichtung bei minimaler Leistung (Teillast): Die Lambdauntergrenze Lu(min) entspricht insbesondere folgender Vorgabe: nominales Lambda x (1,0 - VK), wobei VK im Bereich von 0,1 bis 0,2, bevorzugt im Bereich von 0,12 bis 0,17, liegt. VK (hier als Variabilitätskoeffizient bezeichnet) liegt insbesondere bei 15 %. Die Lambdaobergrenze Lo(min) entspricht insbesondere der folgenden Vorgabe: nominales Lambda x (1,0 + VK). Wenn das Gebläse langsam läuft, also die Situation P(min) vorliegt, soll der Variabilitätskoeffizient angewandt werden, um die systembedingte Drehzahl-Regel-Toleranzen zu berücksichtigen, die in dieser Situation größer sind als bei höheren Drehzahlen. Daher kann der Wert für VK mindestens um den Faktor 1,2, insbesondere 2 und maximal um den Faktor 2,7 größer gewählt werden als der Wert für SK. Somit wird im Fall P(min) ein größeres Lambdafenster vorgegeben als bei P(max).
  • Ganz besonders bevorzugt beträgt die Lambdaobergrenze über den gesamten Modulationsbereich nicht mehr als 1,80, insbesondere nicht mehr als 1,65, insbesondere nicht mehr als 1,50 und besonders bevorzugt nicht mehr als 1,45. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Lambdauntergrenze über den gesamten Modulations- bzw. Leistungsbereich nicht weniger als 1,00.
  • Bevorzugt können mindestens drei unterschiedliche Brennerflächen eingestellt werden, wobei der Leistungsbereich für jede der Brennerflächen mindestens 7 kW [Kilowatt] beträgt. Das bedeutet z. B., dass bei Aktivierung einer (Teil-)Brennerfläche ca. 7 kW Wärmeleistung maximal/nominal erreichbar ist, bei Aktivierung zweier (Teil-)Brennerflächen ca. 14 kW Wärmeleistung und bei Aktivierung der gesamten Brennerfläche ca. 21 kW Wärmeleistung. Es ist möglich, dass die Wärmeleistung einer (Teil-)Brennerfläche (jeweils) um einen Faktor größer als 7 kW ist, z.B. um einen Faktor 2, oder sogar 2,5, oder sogar 3,0.
  • Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Grenzwert und/oder ein Toleranzbereich bereitgestellt ist, der mit einem der ermittelten Parameter zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche verglichen wird, und dass bei Erreichen des Grenzwertes oder Verlassen des Toleranzbereichs einer der Brennerflächen automatisch aktiviert oder deaktiviert wird. Die Grenzwerte und/oder Toleranzbereiche für einen oder mehrere Parameter können elektronisch gespeichert und abrufbar sein. Grenzwert und/oder Toleranzbereich kann starr (z. B. geräteabhängig) vorgegeben sein. Es ist möglich, dass Grenzwert und/oder Toleranzbereich variabel sind, beispielsweise im Betrieb des Gasheizgerätes (eigenständig oder manuell) anpassbar sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brenner eines Gasheizgerätes vorgeschlagen, wobei der Brenner eine variabel einstellbare Brennerfläche aufweist und Mittel, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des hier offenbarten Verfahrens ausführen. Zur weiteren Charakterisierung von Brenner, Gasheizgerät und/oder den Mitteln kann vollumfänglich auf die Erläuterungen zum Verfahren zurückgegriffen werden, und umgekehrt. Insbesondere ist möglich, dass ein Gasheizgerät mit einem Brenner vorliegt, das eine Regel- und Steuereinheit umfasst, die eingerichtet ist, den Betrieb des Brenners gemäß dem hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Die Regel- und Steuereinheit kann eine Recheneinheit, eine Speichereinheit, einen Signal- bzw. Datenvergleicher, etc. umfassen, die entsprechend eingerichtet sind. Es können Sensoren, Schalter, etc. vorgesehen sein, die im Rahmen des Verfahrens betätigt bzw. ausgelesen werden.
  • Weiter wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bewirken, dass der hier angegebene Brenner die Schritte des hier offenbarten Verfahrens ausführt. Es kann ein Computerlesbares Medium vorgesehen sein, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
  • Mit den hier vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren lassen sich eine Vielzahl von Vorteilen erreichen.
  • Der Brenner mit variabler Geometrie bietet die Möglichkeit, die Druckverluste anzupassen. Durch die Erhöhung des Modulationssollwerts (MSP) sinkt der Druckabfall des Brenners, so dass das Gebläse weniger stark bzw. kleiner dimensioniert sein kann, um die Nennlast zu erreichen, als bei einem Brenner mit fester Geometrie. Die Verwendung eines weniger leistungsstarken Gebläses (oder eines anderen Geräts, das die Strömung in Bewegung setzt) bietet auch die Möglichkeit, den Geräuschpegel des Geräts zu senken, insbesondere bei Betrieb mit Nennlast.
  • Es ist möglich, ein pneumatisches Gasventil bei dem Wärmemodul einzusetzen. Zunächst kann eine Drosseleinstellung vorgenommen werden, um den Gasdurchsatz bei Nennlast einzustellen. Als nächstes wird ein Referenzdruckpunkt von der Komponente gelesen und zur Einstellung der Gasströmung verwendet. Diese Einstellung sollte nicht vor Ort geändert werden. Schließlich wird ein Druck-Offset, der ebenfalls in die Gasflusseinstellung einfließt, zur genauen Einstellung des Lambdawertes bei Teillast verwendet. Diese Einstellung sollte im Feld nicht geändert werden. Der Betrieb eines Wasserstoffkessels mit einem pneumatischen Gasventil und mit einem Brenner mit fester Geometrie ist möglich, bringt aber die Notwendigkeit mit sich, den Druck-Offset (Werkseinstellung) auf einen sehr niedrigen Wert einzustellen, wie z.B. -30 Pascal. Dies ist in bestimmten Situationen mit Nachteilen verbunden, die vermieden werden können, wenn die Lambda-Regelkurve über den Modulationsbereich des Geräts flach bleibt.
  • Mit dieser Methode zum Betrieb des Brenners und des Wärmemoduls wird der Abstand zur Flammenrückschlagsgrenze weggeschoben, wodurch die Sicherheit im Betrieb erhöht wird.
  • Bei einem Brenner mit fester Geometrie muss die Lambda-Regelkurve bei Teillast stark ansteigen, um einen Flammenrückschlag zu vermeiden, d.h. das Brenngas-Luft-Gemisch muss bei Teillast magerer sein. Allerdings können die Emissionen von unverbranntem Wasserstoff-Gas bei Lambda-Werten über 2,5 und höher mit dem magerer werdenden Gemisch hoch werden. Diese Emissionen sollten vermieden werden. Darüber hinaus ist die Flammenstabilität gefährdet, wenn ein Wasserstoffbrenner mit mageren Gemischen betrieben wird; dies kann zu Verbrennungsgeräuschen oder zum Flammenverlust führen. Die Verwendung eines Brenners mit variabler Geometrie ermöglicht es, auf einem niedrigeren Lambda-Niveau zu bleiben und folglich die beiden vorstehend erwähnten Probleme zu vermeiden.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren schematisch und beispielhaft sind, insbesondere die Erfindung nicht beschränkten sollen. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    eine Ausführungsform eines Heizgerätes mit variablem Brenner;
    Fig. 2:
    Beispiele für Regelkurven bei Brennern mit fester und variabler Brennerfläche;
    Fig. 3:
    Wirkungsgradkurven für Wasserstoff in Abhängigkeit von der Abgastemperatur und für verschiedene Lambda-Werte;
    Fig. 4:
    Drehzahlkurven für Brenner mit fester und variabler Brennerfläche
    Fig. 5:
    ein Beispiel für eine Lambda-Hüllkurve.
  • Fig. 1 zeigt einen Brenner 1 eines Gasheizgerätes 2, wobei der Brenner 1 eine variabel einstellbare Brennerfläche 3 aufweist. Das Gasheizgerät 2 ist mit jeder der Brennerflächen 3 mit einer minimalen Leistung (Pmin) und einer maximalen Leistung (Pmax) betreibbar, wobei jede der Brennerflächen 3 mit einem Leistungsbereich von zumindest 2,0 kW [Kilowatt] betreibbar ist.
  • Beginnend von oben ist eine Luftleitung 11 schematisch dargestellt, die mit einem Massenstromsensor Luft 6 ausgeführt sein kann und mit der Luft aus der Umgebung des Gasheizgerätes 2 angesaugt und dem Brenner 1 zugeführt werden kann. In die Luftleitung 11 mündet eine Brenngasleitung 12, über die insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas in die Luft eingeleitet werden kann. In der Brenngasleitung 12 sind ein kontrollierbares Brenngasventil 5 und ggf. ein Massenstromsensor Brenngas 7 vorgesehen. Das Brenngas-Luft-Gemisch wird durch eine Brenngasgemischleitung 10 hin zum Brenner 1 gefördert. Dazu trägt ein Gebläse 4 in der Brenngasgemischleitung 10 bei.
  • Stromab des Gebläses 4, insbesondere im Brenner 1, ist ein Einströmbereich 16 hin zur Brennerfläche 3 vorgesehen. Dieser ist in mehrere Teil-Einströmbereiche (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) unterteilt, beispielsweise durch Trennwände, die die Teil-Einströmbereiche (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) voneinander abgrenzt. In den Teil-Einströmbereichen (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) können gleiche oder ähnliche Strömungsbarrieren, hier als schwenkbares Stellglied 17 mit einer Klappe, vorgesehen sein. Mit den Stellgliedern 17 können die Teil-Einströmbereiche (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) geöffnet und/oder geschlossen werden.
  • Je nach Stellung der Stellglieder 17 wird durch das Gebläse 4 und über die (offenen) Teil-Einströmbereiche (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) ein vorgemischtes Brenngas-Luft-Gemisch zur (hier flach ausgeführten) Brennerfläche 3 geführt. Jedem Teil-Einströmbereich (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) ist ein Abschnitt der Brennerfläche 3 zugeordnet, so dass eine Mehrzahl von Teil-Brennerflächen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) gebildet sind. Die Teil-Brennerflächen, bei denen die zugehörigen Teil-Einströmbereiche geöffnet sind, sind aktiv bzw. dort findet eine Verbrennung bzw. Flammenausbildung statt. Die Teil-Brennerflächen, bei denen die zugehörigen Teil-Einströmbereiche geschlossen sind, sind inaktiv / deaktiviert bzw. dort findet keine Verbrennung bzw. Flammenausbildung statt. Die fünf Teil-Brennerflächen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) können so eingestellt sein, dass der Leistungsbereich für jede der Teil-Brennerflächen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) ca. 7 kW beträgt. Die Flamme bzw. Umgebungsparameter darum können mit einem Flammensensor 9 beobachtet werden.
  • Das unter der Brennerfläche 3 mit einer oder mehreren Flammen verbrennende Brenngas-Luft-Gemisch entwickelt Wärme, die an einem stromabwärtigen Wärmetauscher 14 abgegeben werden kann. Das resultierende Abgas kann über eine Abgasleitung 15 abströmen.
  • Weiter ist schematisch eine Regel- und Steuereinheit 13 vorgesehen, die insbesondere mit einer Auswahl oder aller nachfolgender Komponenten in Verbindung steht, wobei die Regel- und Steuereinheit 13 insbesondere Signale, Messwerte und/oder Steuersignale empfangen, versenden und/oder verarbeiten kann: Massenstromsensor Luft 6, Brenngasventil 5, Gebläse 4, Massenstromsensor Brenngas 7, Volumenstromsensor Luft-Brenngas-Gemisch 8, Stellglied(er) 17, Flammensensor 9.
  • Die Vorrichtung ist so eingerichtet, dass mindestens einer der nachfolgend genannten Parameter zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer (Teil-)Brennerfläche 3 herangezogen wird: Massenstrom und/oder Volumenstrom von Brenngas und/oder Verbrennungsluft (mittels der Sensoren 6, 7, 8), ein Drucksignal an der Brenngaszufuhr und/oder an der Verbrennungsluftzufuhr (z. B. mit Hilfe einer Venturi-Anordnung an/in der Luftleitung 12 und/oder Brenngasleitung 11), Verbrennungsparameter (mittels des Flammensensors 9), Einstellung von Strömungseinstellgeräten (Brenngasventil 5, Gebläse 4) für das Brenngas und/oder die Verbrennungsluft und/oder ein Luft-Brenngas-Gemisches. Insbesondere kann mindestens ein Grenzwert und/oder ein Toleranzbereich über die Regel- und Steuereinheit 13 bereitgestellt sein, der mit einem der ermittelten Parameter zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer (Teil-)Brennerfläche 3 verglichen wird. Wird der Grenzwertes erreicht oder der Toleranzbereich verlassen, kann eine der (Teil-)Brennerflächen 3 automatisch aktiviert oder deaktiviert werden.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel für mögliche Regelkurven für einen Brenner 1 mit fester also nicht variabler Geometrie bzw. Brennerfläche (Kurve mit "3" gekennzeichnet) und einen Brenner 1 mit variabler Geometrie bzw. drei Teil-Brennerflächen 3a, 3b, 3c. Das Diagramm zeigt das Luft-Brenngas-Verhältnis, d.h. "Lambda", über die Wärmezufuhr Qc [kW]. Beim Brenner 1 mit fester Geometrie wird der signifikante Anstieg von Lambda bei Teillast durch die oben genannten Zwänge bestimmt. Dies kann mit einem Brenner 1 mit variabel einstellbare Brennerfläche 3 unabhängiger eingestellt werden. Ergänzend macht Fig. 3 klar, dass der Wirkungsgrad η bzw. der Nettowirkungsgrad E mit zunehmendem Lambda abnimmt (verglichen bei einer vorbestimmten Abgastemperatur und hier beispielhaft bis zu einem Maximum von 68°C). Folglich kann eine Wirkungsgradsteigerung bei Verwendung eines Brenners 1 mit variabler Brennerfläche 3 erreicht werden. Das Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche 3 kann insbesondere basierend auf einen festgestellten und/oder zu erwartenden Wirkungsgrad erfolgen.
  • Fig. 4 veranschaulicht beispielhaft die Geschwindigkeiten des Brenngas-Luft-Gemisches und der Flamme bei einem konstanten Lambda von 1,3. In diesem Beispiel ist die Brennerfläche 3 mit einer Vielzahl von durchströmbaren Löchern versehen. Die Flammengeschwindigkeit im Falle von Wasserstoff hängt hauptsächlich von zwei Einflussgrößen ab, nämlich der Temperatur des Brenngas-Luft-Gemisches vor der Flamme und dem Lambda-Wert. Die Flammengeschwindigkeit, die durch die (horizontale) Linie c in Fig. 4 dargestellt ist, wurde bei konstantem Lambda (1,3) und konstanter Temperatur (hier ca. 560°C) abgeleitet. Die ansteigende Linie a stellt die Geschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches bei einem Brenner 1 mit fester bzw. nicht variabel einstellbarer Brennerfläche 3 dar. Bei Teillast (kleines Qc, Abschnitte unterhalb der Linie c) kann die Geschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches soweit abfallen, dass diese niedriger als die (beim Wasserstoff sehr hohe) Flammengeschwindigkeit (Linie c) ist, und es kommt zu einem Flammenrückschlag. Die (gezackte) Kurve b stellt die Geschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches bei Verwendung einer Komponente mit drei Teil-Brennerflächen 3a, 3b, 3c dar. In diesem Beispiel bietet der Brenner 1 einen ersten Querschnitt von 250 mm2 bis 12 kW (Teil-Brennerfläche 3a), einen Querschnitt von 600 mm2 bis 24 kW (mit zusätzlicher Teil-Brennerfläche 3b), einen Querschnitt von 1200 mm2 Querschnitt über 24kW (mit zusätzlicher Teil-Brennerfläche 3c). Mit einem solchen Brenner 1 kann die Geschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches über den gesamten Modulationsbereich oberhalb der Flammengeschwindigkeit (Linie c) gehalten werden, insbesondere einschließlich einer z. B. (mindestens) 10%-igen Sicherheitsschwelle (Linie d). Das Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche 3 kann insbesondere basierend auf einer festgestellten oder zu erwartenden Geschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches und/oder der Flamme erfolgen.
  • Fig. 5 veranschaulicht beispielhaft eine so genannte Lambda-Hüllkurve für einen Brenner 1 mit drei Teil-Brennerflächen 3a, 3b, 3c. Um möglichst optimale Leistungen bei der Wasserstoffverbrennung zu erzielen, soll das Lambda über den gesamten Modulationsbereich weitgehend stabil bleiben. Deshalb soll eine im Folgenden näher beschriebene Lambda-Hüllkurve einbezogen werden.
  • Die Definition des Lambda-Bereichs, in dem der Betrieb erfolgen soll, ist für jedes Heizgerät abzustimmen. Er hängt von diesen Parametern ab: Nennwärmezufuhr; Teillast-Wärmezufuhr; Anzahl der Teilbrenner; Nennlambda (bei Nennwärmezufuhr). Zusätzlich zu diesen Parametern werden zwei konstante Koeffizienten, die im Rahmen der der Erfindung zugrundeliegenden Arbeiten bestimmt bzw. angepasst wurden, für den "minimalen" und "maximalen" Betrieb der (Teil-)Brennerflächen eingeführt: ein Stabilitätskoeffizient (SK) von bevorzugt ca. 7,5% und ein Variabilitätskoeffizient (VK) von bevorzugt ca. 15%. Wenn das Gebläse schnell läuft, muss der Stabilitätskoeffizient SK angewandt werden, um die systembedingten Toleranzen zu berücksichtigen. Bei diesem Wert sind insbesondere die relativen Drehzahlabweichungen geringer als bei niedrigen Drehzahlen. Wenn der Ventilator mit niedriger Drehzahl läuft, soll der Variabilitätskoeffizient VK für größere Toleranzen angewandt werden.
  • Ein Beispiel für diese Vorgabe ist in Fig. 5 veranschaulicht, die eine obere Lambdakurve (Linie x) und eine untere Lambdakurve (Linie z) über den Leistungsbereich (Qc) veranschaulicht. Bei diesem Gasheizgerät 2 hat das Lambda bei 30 kW (Nennlast) den (nominalen) Wert 1,25 (Linie y). Bei jeder maximalen Teilbrennerlast ist die maximale/minimale Lambda-Abweichung gegenüber dem Nenn-Lambda der Stabilitätskoeffizient. In Fig. 5 zum Beispiel beträgt bei 13 kW (Teil-Brennerfläche 3a), 21,5 kW (Teil-Brennerfläche 3a + 3b) und 30 kW (Teil-Brennerfläche 3a + 3b + 3c) der der maximal zulässige Lambda-Wert 1,25 x (1,00 + 0,075) = 1,34 (= Lambdaobergrenze bei maximaler Leistung (Lo(max)). Bei jeder minimalen Teilbrennerlast ist die maximale/minimale Lambda-Abweichung gegenüber dem Nenn-Lambda der Variabilitätskoeffizient. In Fig. 5 beträgt beispielsweise bei 5 kW (Teil-Brennerfläche 3a), 13 kW (Teil-Brennerfläche 3a + 3b) und 21,5 kW (Teil-Brennerfläche 3a + 3b + 3c) der minimale zulässige Lambda-Wert 1,25 x (1,00 - 0,15) = 1,06 (Lambdauntergrenze bei minimaler Leistung (Lu(min)).
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brenner
    2
    Gasheizgerät
    3
    Brennerfläche
    4
    Gebläse
    5
    Brenngasventil
    6
    Massenstromsensor Luft
    7
    Massenstromsensor Brenngas
    8
    Volumenstromsensor Luft-Brenngas-Gemisch
    9
    Flammensensor
    10
    Brenngasgemischleitung
    11
    Luftleitung
    12
    Brenngasleitung
    13
    Regel- und Steuereinheit
    14
    Wärmetauscher
    15
    Abgasleitung
    16
    Einströmraum
    17
    Stellglied

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1) eines Gasheizgerätes (2), wobei der Brenner (1) eine variabel einstellbare Brennerfläche (3) aufweist, und das Gasheizgerät (2) mit jeder der Brennerflächen (3) mit einer minimalen Leistung (Pmin) und einer maximalen Leistung (Pmax) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Brennerflächen (3) eine Strömungsbarriere, angeordnet in bzw. anschließend der Brenngasgemischleitung (10), in Nachbarschaft der Brennerfläche (3), im Verbrennungsraum des Brenners (1) und/oder der Abgasleitung (15), zugeordnet ist und jede der Brennerflächen (3) mit einem Leistungsbereich von zumindest 2,0 kW betreibbar ist, wobei mindestens einer der nachfolgend genannten Parameter zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche (3) herangezogen wird: Massenstrom und/oder Volumenstrom von Brenngas und/oder Verbrennungsluft, Druckparameter einer Brenngaszufuhr und/oder einer Verbrennungsluftzufuhr, Verbrennungsparameter, Einstellung von Strömungseinstellgeräten (5, 4) für das Brenngas und/oder die Verbrennungsluft und/oder ein Luft-Brenngas-Gemisches.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Lambdawertes für jede der einstellbaren Brennerflächen (3) in einem Bereich erfolgt, der durch eine Lambdauntergrenze (Lu) und einer Lambdaobergrenze (Lo) begrenzt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der einstellbaren Brennerflächen (3) gleiche Lambdauntergrenzen (Lu) und Lambdaobergrenzen (Lo) vorgegeben sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaobergrenze bei maximaler Leistung (Lo(max)) folgender Vorgabe entspricht: nominales Lambda x (1,0 + SK), wobei SK im Bereich von 0,05 bis 0,01 liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass SK im Bereich von 0,07 bis 0,08 liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdauntergrenze bei minimaler Leistung (Lu(min)) folgender Vorgabe entspricht: nominales Lambda x (1,0 - VK), wobei VK im Bereich von 0,1 bis 0,2 liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass VK im Bereich von 0,12 bis 0,17 liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei unterschiedliche Brennerflächen (3) eingestellt werden, wobei der Leistungsbereich für jede der Brennerflächen (3) mindestens 7 kW beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Grenzwert und/oder ein Toleranzbereich bereitgestellt ist, der mit einem der ermittelten Parameter zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Brennerfläche (3) verglichen wird, und bei Erreichen des Grenzwertes oder Verlassen des Toleranzbereichs einer der Brennerflächen (3) automatisch aktiviert oder deaktiviert wird.
  10. Brenner (1) eines Gasheizgerätes (2), wobei der Brenner (1) eine variabel einstellbare Brennerfläche (3) aufweist und Mittel, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführen.
  11. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass der Brenner (1) des Anspruchs 10 die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt.
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