EP4462021A1 - Verfahren zum betreiben eines heizgerätes, computerprogramm, regel- und steuer-gerät und heizgerät - Google Patents

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

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EP4462021A1
EP4462021A1 EP24174254.3A EP24174254A EP4462021A1 EP 4462021 A1 EP4462021 A1 EP 4462021A1 EP 24174254 A EP24174254 A EP 24174254A EP 4462021 A1 EP4462021 A1 EP 4462021A1
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EP
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sensor
flame
heating device
signal
derivative
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Vaillant GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heating device, a computer program, a regulating and control device and a heating device.
  • a large number of heating devices which burn a mixture of fuel, in particular gas or hydrogen, and ambient air in a combustion chamber in order to generate heat to supply a building or to provide hot water.
  • Such heaters usually have a flame monitor that can detect when the flame goes out and thus prevent unburned fuel from escaping.
  • Various options for flame monitoring are known. An ionization current of the flame is often recorded, although this is only possible to a limited extent with hydrogen-powered heaters because a hydrogen flame only releases a few charge carriers.
  • the UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame or flames can be recorded. Measuring a flame temperature using a suitable temperature sensor is also known.
  • the inertia of the sensors or connected electronics can make it difficult to detect a loss of flame, especially to distinguish it from a regular reduction in the heater's output.
  • a vehicle heater in which flame monitoring is carried out by evaluating a first, second and third gradient of three temperature sensors.
  • the disadvantage is that the arrangement of three temperature sensors is complex and, in addition, the proposed flame monitoring in heating devices for buildings cannot provide sufficient detection of flame losses.
  • the DE 10 2021 108 014 A1 describes a method for observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater, in which the temperature is measured at a measuring point in or on the combustion chamber and is calculated using a mathematical model from other operating data measured or specified on the heater. The measured temperature and/or its temporal behavior is compared with the calculated temperature and, if there are deviations above a threshold value, it is concluded that the flame has ignited or gone out. It is desirable to further improve the monitoring, particularly with regard to robustness, in order to be able to distinguish a loss of flame from a reduction in performance even more reliably.
  • the object of the invention is to propose a method for operating a heating device that at least partially overcomes the problems of the prior art described.
  • a reliable detection of a burner's loss of flame should be made possible, in particular a distinction between a loss of flame and a regular reduction in the heater's output.
  • the method should make it possible to detect an impending flashback.
  • the invention should at least not significantly increase the complexity of a heating device, and require no or only minor structural changes to a heating device and/or enable easy integration into an existing production process.
  • the method can be carried out permanently and continuously during operation of a heating device and is used for reliable flame monitoring, whereby in particular a reliable distinction between a loss of flame and a regular reduction in the heater's output should be distinguished.
  • the method enables the detection of an impending flashback.
  • the heating device is in particular a gas heating device that is designed to burn a combustible gas, such as natural gas or in particular hydrogen, with the supply of ambient air and to generate thermal energy, for example to heat a heat carrier of a heating circuit or to provide a hot water supply.
  • the heating device can be a condensing boiler, which can preferably be designed to burn hydrogen or a hydrogen-containing mixture.
  • the heating device generally has a combustion chamber and a conveying device or a fan that can convey a mixture of fuel and combustion air via a mixture channel into a combustion chamber in which a burner is arranged. The combustion products can then be fed to an exhaust system through an exhaust channel of the heating device.
  • the heater can adapt (modulate) the burner output to the requirement.
  • a control and regulating device of the heater can adapt the output of the heater's fan and thus the combustion air mass flow to the heat requirement.
  • a control system can adapt the fuel mass flow to be added to the changing combustion air mass flow.
  • the burner can comprise at least one perforated plate that is connected to a burner cavity.
  • the burner cavity is connected to the mixture channel so that combustion mixture can flow through the cavity through the perforated plate and be burned.
  • an ignition device can also be arranged, designed to ignite a mass flow of combustion mixture emerging through the perforated plate.
  • the burner cavity also referred to as the burner body, can in particular be designed as a cylinder (straight circular cylinder), with a base surface of the cylinder being connected to the mixture channel and the opposite base surface being closed.
  • the burner cavity can also be cuboid-shaped, which is limited at the top by the perforated sheet.
  • the burner can be arranged in the combustion chamber of the heater in a burner door of the combustion chamber.
  • an opening in the burner door can connect the burner cavity with the mixture channel and the burner can be attached to the burner door.
  • a flame monitor can also be attached to or in the burner door.
  • the heater has a flame monitor that can detect or detects the presence of a flame on the burner.
  • the flame monitor comprises in particular a sensor that delivers a signal that is suitable for detecting a flame.
  • the sensor is in particular a UV sensor, i.e. a sensor for detecting the intensity of the ultraviolet radiation emitted by the flame, or a temperature sensor.
  • the flame monitor can also have other sensors, such as an ionization electrode for detecting an ionization current of the flame.
  • a signal from the flame monitor can be used to regulate and control the heater, in particular to determine and regulate a combustion air ratio of the gas mixture.
  • a UV sensor can be aligned in such a way that a flame forming on the burner of the heater is in the direction of detection of the sensor.
  • the UV sensor can be located in the combustion chamber or, protected from the high temperatures in the combustion chamber, outside of it with detection through a viewing window.
  • the UV sensor can deliver a signal that corresponds to the intensity of the UV radiation detected.
  • the UV sensor can also have a saturation range, whereby the sensor emits a constant signal from a certain limit intensity of the radiation.
  • a temperature sensor can be arranged in such a way that a temperature of the flame of the heater can be detected.
  • the temperature sensor can be arranged on or in the immediate vicinity of the burner of the heater.
  • the temperature sensor can be any suitable sensor, for example a thermistor (NTC) or thermistor (PTC) or a semiconductor temperature sensor.
  • the temperature sensor can also be a glow igniter (also known as HSI - Hot Surface Ignitor), which can also function as the igniter of the heater.
  • the heater can comprise a regulating and control device that can be set up to regulate or control its operation.
  • the regulating and control device can set a predetermined combustion air ratio (also referred to as lambda) of the heater.
  • a method proposed here is particularly suitable for being carried out on the regulating and control device.
  • Determining a flame condition can in particular include determining a loss of flame and/or a flashback. Determining the flashback can in particular include determining an impending or imminent flashback.
  • a comparison value can be calculated using a mathematical first derivative and second derivative (also known as a first or second order gradient) of the sensor signal and this can be compared with a predetermined first threshold value and a flame loss can be determined as a result of the comparison.
  • the first and second derivatives refer to the first and second differential quotients, i.e. a tangent slope of a function of the sensor signal. This can be done using numerical methods or interpolation of a function of the sensor signal.
  • the comparison value can be calculated by calculating the first and second derivatives and then multiplying each by a predetermined factor for weighting and determining an average value as a comparison value.
  • the first derivative can be multiplied by a first factor and the second derivative by a second predetermined factor.
  • different first or second factors can be specified for different operating states.
  • the factors can be specified, for example, in the form of a characteristic map for defined operating states or ranges of operating states.
  • the first and second factors can be determined in advance on a reference heater as part of laboratory tests.
  • the first and second factors can be stored in a memory, for example in the heater's control and regulation device.
  • the calculation of the comparison value based on the first and second derivatives can be used in particular for inertial sensors.
  • the sensor signal can already be electronically processed (amplified, filtered), which can encourage inertia in the sensor.
  • the first, second and/or third threshold values may also have been determined in advance in laboratory tests on a reference heater and stored in a memory of the control unit or the heater.
  • a first derivative of the signal of the sensor with a second predetermined threshold value and the signal of the sensor with a third predetermined Threshold value can be compared and a loss of flame can be determined. This can in particular enable the detection of an impending or early detection of a flashback.
  • the senor can be a UV sensor that does not operate in the saturation range. Noise in the sensor signal can occur immediately before a flashback, but a comparison of the sensor signal with a third threshold value and the first derivative with a second threshold value still enables reliable detection of a loss of flame and/or a flashback.
  • the sensor signal can be the raw data of the sensor.
  • Raw data refers to a sensor signal that has not been further processed electronically, and in particular has not been electronically amplified or filtered. Due to the inertia of electronic circuits for signal processing, the time required to detect a loss of flame or flashback can be shortened by using raw data from the sensor.
  • the method can also be performed for multiple sensors, for example a combination of a UV sensor and a temperature sensor.
  • first primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, and in particular do not necessarily specify any dependency and/or sequence of these objects, sizes or processes. Should a dependency and/or sequence be required, this is explicitly stated here or it is clear 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.
  • a heating device designed to burn a fuel on a burner and comprising flame monitoring with at least one sensor.
  • the heating device can comprise a regulating and control device on which a method proposed here can be carried out.
  • the heating device can comprise means which are adapted to carry out a method proposed here.
  • a computer program comprising instructions that cause a heating device proposed here to carry out a method proposed here.
  • this relates in particular to a computer program (product) comprising instructions that, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out a method proposed here.
  • a control and regulating device for a heater is also proposed, set up to carry out a method proposed here.
  • the control and regulating device can, for example, have a processor for this purpose and/or have one.
  • the processor can, for example, carry out the method stored in a memory (of the control and regulating device).
  • Data necessary for carrying out the method can advantageously also be stored in the memory of the control and regulating device, for example a first, second and/or third threshold value and/or a first and/or second factor or a characteristic map thereof.
  • 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, a computer program, a control and regulating device and a heater as well as the use at least contribute to specifying particularly reliable flame monitoring that enables robust and reliable detection of a flame or loss of flame in the entire modulation range of a heater.
  • a method proposed here can enable early detection of a flashback.
  • the implementation of a method specified here does not require any structural changes to a heating device, but rather it can be used by implementing software.
  • Fig. 1 shows, by way of example and schematically, a heating device 1 proposed here with a flow direction 16.
  • This can have an air supply 4 for combustion air, in which a conveying device 2 for conveying a mass flow of combustion air is arranged.
  • a gas valve 5 can add a mass flow of combustion gas from a gas supply 8 to the mass flow of combustion air conveyed by the conveying device 2.
  • the mixture of combustion gas and combustion air can be fed to a burner 3 via a mixture channel 12 and burned.
  • a heat exchanger 13 can be arranged on the burner 3, which can transfer heat generated during combustion to a heating circuit 14 with a flow line 6 and a return line 9.
  • An igniter 17 can be arranged on the burner 3, designed to be heated to a temperature in order to ignite the combustion mixture emerging from the burner 3.
  • the igniter 17 can, for example, be a glow igniter, which can be used as a temperature sensor for carrying out a method proposed here.
  • a flame monitoring sensor 15 can be arranged on the burner 3.
  • the sensor 15 can in particular be a UV sensor or a temperature sensor.
  • an exhaust pipe 10 can feed combustion products to an exhaust system 11.
  • a control device 7 of the heater 1 can be electrically connected at least to the gas valve 5, the sensor 15, the igniter 17 and the conveyor device 2.
  • Fig. 2 shows an example and schematically the sequence of a method proposed here.
  • a differential 19 dt i.e. the first derivative of the signal 18, can be formed.
  • a further differential 19 d y ⁇ dt be formed, so that now the first derivative dy dt and the second derivative d y ⁇ dt
  • An average value 21 can then be calculated.
  • the determined average value can be fed to an evaluation logic 22, which compares the average value with a first threshold value and outputs a flame state 23 as a result.
  • Fig. 3 shows, by way of example, a signal 18 from a sensor 15 which is designed as a UV sensor and which is not in the saturation range.
  • a flashback can occur. Noise in the signal 18 can be seen before time 24 of the occurrence of a flashback.
  • a comparison of a first derivative dy dt of the signal 18 of the sensor 15 with a second predetermined threshold value and of the signal 18 of the sensor 15 with a third predetermined threshold value enable a reliable and early detection of the flashback.
  • Fig. 4 shows a signal 18 of the sensor 15 according to Fig. 2 , whereby the sensor 15 is not in the saturation state here. It is noticeable that only a very small amount of noise occurs in the run-up to the time 24 when a flashback occurs.
  • a comparison of a first derivative dy dt of the signal 18 of the sensor 15 with a second predetermined threshold value and of the signal 18 of the sensor 15 with a third predetermined threshold value enable a reliable and early detection of the flashback.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1), aufweisend eine Flammenüberwachung für einen Brenner (3) des Heizgerätes (1) mit mindestens einem Sensor (15), wobei
anhand einer ersten Ableitung und einer zweiten Ableitung des Signals (18) des Sensors (15) ein Vergleichswert berechnet und anhand eines Vergleiches des ersten Vergleichswertes mit einem ersten vorgegebenen Schwellwert ein Flammenzustand (23) festgestellt wird, und/ oder
der mindestens eine Sensor (15) ein UV-Sensor ist und eine erste Ableitung des Signals (18) des Sensors (15) mit einem zweiten vorgegebenen Schwellwert und das Signal des Sensors (15) mit einem dritten vorgegebenen Schwellwert verglichen werden und ein Flammenzustand (23) festgestellt wird. Das Feststellen des Flammenzustandes (23) kann dabei insbesondere ein Feststellen eines Flammenrückschlages und/ oder eines Flammenverlustes umfassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät.
  • Es sind eine Vielzahl von Heizgeräten bekannt, die in einer Brennkammer ein Gemisch aus Brennstoff, insbesondere Gas oder Wasserstoff und Umgebungsluft verbrennen, um Wärme zur Versorgung eines Gebäudes oder für eine Bereitstellung von Warmwasser zu gewinnen.
  • Derartige Heizgerät weisen in der Regel eine Flammenüberwachung auf, die ein Erlöschen der Flamme erkennen und so ein Austreten von unverbranntem Brennstoff verhindern kann. Es sind verschiedene Möglichkeiten einer Flammenüberwachung bekannt. Häufig wird ein lonisationsstrom der Flamme erfasst, wobei dies bei wasserstoffbetriebenen Heizgeräten nur bedingt möglich ist, weil eine Wasserstoffflamme nur wenige Ladungsträger freisetzt. Zur Überwachung einer Wasserstoffflamme kann beispielsweise die von der Flamme bzw. den Flammen emittierte UV- (Ultraviolett-) Strahlung erfasst werden. Gleichfalls bekannt ist die Messung einer Flammentemperatur mittels eines geeigneten Temperatursensors.
  • Dabei kann die Trägheit der Sensoren bzw. verbundener Elektronik, wie zum Beispiel Verstärker oder Filter, eine Erkennung eines Flammenverlustes erschweren, insbesondere eine Unterscheidung zu einer regulären Leistungsabsenkung des Heizgerätes.
  • Aus der DE 199 03 305 A1 ist ein Fahrzeugheizgerät bekannt, bei dem eine Flammenüberwachung mittels Auswertung eines ersten, zweiten und dritten Gradienten von drei Temperatursensoren erfolgt. Nachteilig ist die Anordnung von drei Temperatursensoren aufwendig und zudem kann die vorgeschlagene Flammenüberwachung bei Heizgeräten für Gebäude keine ausreichende Erkennung von Flammenverlusten bieten.
  • Die DE 10 2021 108 014 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, bei dem die Temperatur an einer Messstelle in oder an dem Verbrennungsraum gemessen wird und mittels eines mathematischen Modells aus anderen an dem Heizgerät gemessenen oder vorgegebenen Betriebsdaten berechnet wird. Die gemessene Temperatur und/ oder deren zeitliches Verhalten wird mit der berechneten Temperatur verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines Schwellwertes auf ein Zünden oder ein Erlöschen der Flamme geschlossen. Es ist wünschenswert, die Überwachung weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Robustheit, um einen Flammenverlust von einer Leistungsabsenkung noch sicherer unterscheiden zu können.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes vorzuschlagen, das die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere sollen eine sichere Erkennung eines Flammenverlustes eines Brenners ermöglicht werden, dabei insbesondere eine Unterscheidung eines Flammenverlustes und einer regulären Leistungsabsenkung des Heizgerätes. Zudem soll das Verfahren die Erkennung eines drohenden Flammenrückschlages ermöglichen.
  • Nicht zuletzt soll die Erfindung die Komplexität eines Heizgerätes zumindest nicht wesentlich erhöhen, und keine oder nur geringe bauliche Veränderungen an einem Heizgerät erfordern und/oder eine einfache Integration in einen bestehenden Produktionsprozess ermöglichen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes bei. Das Heizgerät aufweisend eine Flammenüberwachung für einen Brenner des Heizgerätes mit mindestens einem Sensor, wobei
    • unter Einbeziehung einer ersten Ableitung und einer zweiten Ableitung des Signals des mindestens einen Sensors ein Vergleichswert berechnet und anhand eines Vergleiches des ersten Vergleichswertes mit einem ersten vorgegebenen Schwellwert ein Flammenzustand festgestellt wird,
      und/oder
    • der mindestens eine Sensor ein UV-Sensor ist und eine erste Ableitung des Signals des Sensors mit einem zweiten vorgegebenen Schwellwert und das Signal des Sensors mit einem dritten vorgegebenen Schwellwert verglichen werden und ein Flammenzustand festgestellt wird.
  • Das Verfahren kann insbesondere permanent und dauerhaft während des Betriebes eines Heizgerätes durchgeführt werden und dient einer sicheren Flammenüberwachung, wobei insbesondere eine sichere Unterscheidung eines Flammenverlustes von einer regulären Leistungsabsenkung des Heizgerätes unterschieden werden soll. Zudem ermöglicht das Verfahren die Erkennung eines drohenden Flammenrückschlages.
  • Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, das dazu eingerichtete ist, ein Brenngas, wie Erdgas oder insbesondere Wasserstoff unter Zufuhr von Umgebungsluft zu verbrennen und Wärmeenergie, beispielsweis zur Erwärmung eines Wärmeträgers eines Heizkreislaufes oder auch zur Bereitstellung einer Warmwasserversorgung zu erzeugen. Insbesondere kann es sich bei dem Heizgerät um ein Brennwertgerät handeln, welches bevorzugt zur Verbrennung von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gemisches eingerichtet sein kann. Das Heizgerät weist in der Regel eine Brennkammer und eine Fördereinrichtung bzw. ein Gebläse auf, die ein Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft über einen Gemischkanal in eine Brennkammer, in der ein Brenner angeordnet ist, fördern kann. Die Verbrennungsprodukte können anschließend durch einen Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden.
  • Das Heizgerät kann insbesondere die Brennerleistung an den Bedarf anpassen (modulieren). Hierzu kann bei einem Erkennen eines geänderten Wärmebedarfs, beispielsweise unter Einbeziehung einer Vorlauf- und Rücklauftemperatur eines mit dem Heizgerät verbundenen Heizkreises, ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes eine Leistung des Gebläses des Heizgerätes und damit den Massestrom Verbrennungsluft an den Wärmebedarf anpassen. Gleichzeitig kann eine Regelung den zuzusetzenden Brennstoffmassestrom an den sich ändernden Massestrom Verbrennungsluft anpassen.
  • Der Brenner kann mindestens ein Lochblech umfassen, das mit einem Brennerhohlraum verbunden ist. Der Brennerhohlraum ist mit dem Gemischkanal verbunden, so dass Verbrennungsgemisch über den Hohlraum durch das Lochblech strömen und verbrannt werden kann. Im Bereich des Lochbleches kann zudem eine Zündeinrichtung angeordnet sein, dazu eingerichtet, einen durch das Lochblech austretenden Massestrom Verbrennungsgemisch zu entzünden. Der Brennerhohlraum, auch als Brennerkörper bezeichnet, kann dabei insbesondere als Zylinder (gerader Kreiszylinder) ausgebildet sein, wobei eine Grundfläche des Zylinders mit dem Gemischkanal verbunden und die gegenüberliegende Grundfläche verschlossen sein kann. Alternativ kann der Brennerhohlraum auch quaderförmig ausgebildet sein, der obenseitig von dem Lochblech begrenzt ist.
  • Der Brenner kann in der Brennkammer des Heizgerätes in einer Brennertür der Brennkammer angeordnet sein. Hierzu kann eine Öffnung in der Brennertür den Brennerhohlraum mit dem Gemischkanal verbinden und der Brenner an der Brennertür befestigt sein. Zudem kann eine Flammenüberwachung gleichfalls an oder in der Brennertür befestigt sein.
  • Das Heizgerät hat eine Flammenüberwachung, die das Vorhandensein einer Flamme am Brenner erfassen kann bzw. erfasst. Die Flammenüberwachung umfasst insbesondere einen Sensor, der ein Signal, das geeignet zur Erkennung einer Flamme ist, liefert. Der Sensor ist dabei insbesondere ein UV-Sensor, also ein Sensor zum Erfassen der Intensität der von der Flame emittierten Ultraviolett-Strahlung, oder ein Temperatursensor. Die Flammenüberwachung kann zusätzlich noch weitere Sensoren, wie beispielsweise eine lonisationselektrode zum Erfassen eines lonisationsstromes der Flamme aufweisen. Zudem kann ein Signal der Flammenüberwachung zur Regelung und Steuerung des Heizgerätes, insbesondere zum Ermitteln und Regeln eines Verbrennungsluftverhältnisses des Gasgemisches, herangezogen werden.
  • Ein UV-Sensor kann dabei derart ausgerichtet sein, dass in der Erfassungsrichtung des Sensors eine sich am Brenner des Heizgerätes ausbildende Flamme liegt. Dabei kann der UV-Sensor in der Brennkammer oder auch, geschützt vor den hohen Temperaturen in der Brennkammer, außerhalb derselben mit einer Erfassung durch ein Sichtfenster angeordnet sein. Der UV-Sensor kann ein Signal liefern, das mit der Intensität der erfassten UV-Strahlung korrespondiert. Der UV-Sensor kann auch einen Sättigungsbereich aufweisen, wobei ab einer Grenzintensität der Strahlung der Sensor ein konstantes Signal abgibt.
  • Ein Temperatursensor kann derart angeordnet sein, dass eine Temperatur der Flamme des Heizgerätes erfasst werden kann. Hierfür kann der Temperatursensor am oder in unmittelbarer Nähe des Brenners des Heizgerätes angeordnet sein. Der Temperatursensor kann dabei ein beliebiger geeigneter Sensor sein, beispielsweise ein Heißleiter (NTC) oder Kaltleiter (PTC) oder ein Halbleiter-Temperatursensor. Auch kann der Temperatursensor ein Glühzünder (auch bezeichnet als HSI- Hot Surface Ignitor) sein, der zudem als Zünder des Heizgerätes fungieren kann.
  • Das Heizgerät kann ein Regel- und Steuergerät umfassen, das dazu eingerichtet sein kann, den Betrieb desselben zu regeln bzw. zu steuern. Insbesondere kann das Regel- und Steuergerät ein vorgegebenes Verbrennungsluftverhältnis (auch als Lambda bezeichnet) des Heizgerätes einstellen. Ein hier vorgeschlagenes Verfahren ist insbesondere dazu geeignet auf dem Regel- und Steuergerät durchgeführt zu werden.
  • Das Feststellen eines Flammenzustandes kann insbesondere ein Feststellen eines Flammenverlustes und/ oder eines Flammenrückschlages beinhalten. Das Feststellen des Flammenrückschlages kann insbesondere ein Feststellen eines drohenden bzw. bevorstehenden Flammenrückschlages umfassen.
  • Es kann anhand einer mathematischen ersten Ableitung und zweiten Ableitung (auch als Gradient erster bzw. zweiter Ordnung bezeichnet) des Signals des Sensors ein Vergleichswert berechnet und dieser mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert verglichen und als Ergebnis des Vergleiches ein Flammenverlust festgestellt werden. Die erste und zweite Ableitung bezeichnet dabei den ersten bzw. zweiten Differentialquotienten, also eine Tangentensteigung einer Funktion des Signals des Sensors. Dies kann mittels numerischer Methoden oder Interpolation einer Funktion des Sensorsignals erfolgen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Vergleichswert berechnet werden, indem erste und zweite Ableitung berechnet und anschließend jeweils mit einem vorgegebenen Faktor zur Wichtung multipliziert werden und ein Mittelwert als Vergleichswert bestimmt wird. Mit anderen Worten kann die erste Ableitung mit einem ersten Faktor und die zweite Ableitung mit einem zweiten vorgegebenen Faktor multipliziert werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung können unterschiedliche erste oder zweite Faktoren für unterschiedliche Betriebszustände vorgegeben sein. Hierzu können die Faktoren beispielsweise in Form eines Kennfeldes für definiert Betriebszustände bzw. Bereiche von Betriebszuständen vorgegeben sein.
  • Der erste und zweite Faktor kann dabei im Vorfeld an einem Referenzheizgerät im Rahmen von Laborversuchen ermittelt worden sein. Für eine computerimplementierte Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens können erster und zweiter Faktor auf einem Speicher, beispielsweise des Regel- und Steuergerätes des Heizgerätes hinterlegt sein. Die Berechnung des Vergleichswertes anhand erster und zweiter Ableitung kann insbesondere bei trägheitsbehafteten Sensoren Anwendung finden. Das Signal des Sensors kann dabei bereits elektronisch verarbeitet (verstärkt, gefiltert) sein, was eine Trägheit des Sensors begünstigen kann.
  • Auch der erste, zweite und/ oder dritte Schwellwert kann im Rahmen von Laborversuchen an einem Referenzheizgerät im Vorfeld ermittelt worden sein und auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes bzw. des Heizgerätes hinterlegt sein.
  • Alternativ oder kumulativ kann eine erste Ableitung des Signals des Sensors mit einem zweiten vorgegebenen Schwellwert und das Signal des Sensors mit einem dritten vorgegebenen Schwellwert verglichen und ein Flammenverlust festgestellt werden. Dies kann insbesondere die Erkennung eines drohenden bzw. ein frühzeitiges Erkennen eines Flammenrückschlages ermöglichen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Sensor hierbei ein UV-Sensor sein, der nicht im Sättigungsbereich arbeitet. Hierbei kann ein Rauschen des Signals des Sensors unmittelbar vor einem Flammenrückschlag auftreten, wobei durch einen Vergleich des Signals des Sensors mit einem dritten Schwellwert und der ersten Ableitung mit einem zweiten Schwellwert trotzdem ein sicheres Erkennen eines Flammenverlustes und/ oder eines Flammenrückschlages ermöglicht wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann das Signal des Sensors hierfür die Rohdaten des Sensors sein. Rohdaten bezeichnen hierbei ein elektronisch nicht weiter verarbeitetes Signal des Sensors, das insbesondere nicht elektronisch verstärkt oder gefiltert wurde. Aufgrund einer Trägheit elektronischer Schaltungen zur Signalverarbeitung kann durch die Nutzung von Rohdaten des Sensors der Zeitraum zum Feststellen eines Flammenverlustes bzw. -rückschlages verkürzt werden.
  • Es wird angemerkt, dass das Verfahren auch für mehrere Sensoren, beispielsweise eine Kombination aus einem UV-Sensor und einem Temperatursensor durchgeführt werden kann.
  • 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.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, eingerichtet zur Verbrennung eines Brennstoffes an einem Brenner und umfassend eine Flammenüberwachung mit mindestens einem Sensor. Das Heizgerät kann dabei ein Regel- und Steuergerät umfassen, auf dem ein hier vorgeschlagenes Verfahren ausgeführt werden kann. Zudem kann das Heizgerät Mittel umfassen, die so angepasst sind, dass sie ein hier vorgeschlagenes Verfahren ausführen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein hier vorgeschlagenes Heizgerät ein hier vorgeschlagenes Verfahren ausführt. 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.
  • 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. In vorteilhafter Weise können auf dem Speicher des Regel- und Steuergeräts auch zur Durchführung des Verfahrens notwendige Daten hinterlegt sein, beispielsweise ein erster, zweiter und/ oder dritter Schwellwert und/ oder ein erster und/ oder zweiter Faktor bzw. ein Kennfeld derselben.
  • Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Regel- und Steuergerät, dem Computerprogramm und/ oder dem Heizgerät auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Hier werden 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, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät sowie die Verwendung zumindest dazu bei, besonders sichere Flammenüberwachung anzugeben, die eine robuste und sichere Erkennung einer Flamme bzw. eines Flammenverlustes im gesamten Modulationsbereich eines Heizgerätes ermöglicht. Zudem kann mittels eines hier vorgeschlagenen Verfahrens ein frühzeitiges Erkennen eines Flammenrückschlages ermöglicht werden.
  • Besonders vorteilhaft erfordert die Durchführung eines hier angegebenen Verfahrens keine baulichen Änderungen an einem Heizgerät, sondern es kann vielmehr durch eine Implementation einer Software zum Einsatz gebracht werden.
  • 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:
    ein hier vorgeschlagenes Heizgerät,
    Fig. 2:
    einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens, und
    Fig. 3 und 4:
    Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1 mit einer Durchströmungsrichtung 16. Dieses kann eine Luftzufuhr 4 für Verbrennungsluft aufweisen, in der eine Fördereinrichtung 2 zur Förderung eines Massestromes Verbrennungsluft angeordnet sein. Ein Gasventil 5 kann dem von der Fördereinrichtung 2 geförderten Massestrom Verbrennungsluft einen Massestrom Brenngas aus einer Gaszuführung 8 zusetzen. Das Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 12 einem Brenner 3 zugeführt und verbrannt werden. Am Brenner 3 kann ein Wärmetauscher 13 angeordnet sein, der bei der Verbrennung entstehende Wärme auf einen Heizkreislauf 14 mit einem Vorlauf 6 und einem Rücklauf 9 übertragen kann.
  • Am Brenner 3 kann eine Zünder 17 angeordnet sein, dazu eingerichtet auf eine Temperatur erhitzt zu werden, um das am Brenner 3 austretende Verbrennungsgemisch zu entzünden. Der Zünder 17 kann beispielsweise ein Glühzünder sein, der als Temperatursensor zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens nutzbar ist.
  • Zudem kann am Brenner 3 ein Sensor 15 einer Flammenüberwachung angeordnet sein. Bei dem Sensor 15 kann es sich insbesondere um einen UV-Sensor oder einen Temperatursensor handeln.
  • Dem Brenner 3 nachgeordnet kann ein Abgasrohr 10 entstehende Verbrennungsprodukte einer Abgasanlage 11 zuführen. Ein Regel- und Steuergerät 7 des Heizgerätes 1 kann zumindest mit dem Gasventil 5, dem Sensor 15, dem Zünder 17 und der Fördereinrichtung 2 elektrisch verbunden sein.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch den Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Aus einem Signal 18 y(t) des Sensors 15 kann Differential 19 dt , also die erste Ableitung des Signals 18, gebildet werden. Anschließend kann ein weiteres Differential 19 d y ˙ dt
    Figure imgb0001
     gebildet werden, so dass nunmehr die erste Ableitung dy dt
    Figure imgb0002
     und die zweite Ableitung d y ˙ dt
    Figure imgb0003
     vorliegt. Diese können jeweils einer Wichtung 20 zugeführt werden, bei der die erste Ableitung dy dt
    Figure imgb0004
     und die zweite Ableitung d y ˙ dt
    Figure imgb0005
     mit einem Faktor zur Wichtung multipliziert werden. Anschließend kann eine Mittelwertbildung 21 erfolgen. Der ermittelte Mittelwert kann einer Auswertelogik 22 zugeführt werden, die den Mittelwert mit einem ersten Schwellwert vergleicht und als Ergebnis einen Flammenzustand 23 ausgibt.
  • Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Signal 18 eines Sensors 15 der als UV-Sensor ausgebildet ist, der sich nicht im Sättigungsbereich befindet. Zum Zeitpunkt 24 kann ein Flammenrückschlag auftreten. Erkennbar ist ein Rauschen des Signals 18 zeitlich vor dem Zeitpunkt 24 des Auftretens eines Flammenrückschlages. Hier kann insbesondere ein Vergleichen einer ersten Ableitung dy dt
    Figure imgb0006
     des Signals 18 des Sensors 15 mit einem zweiten vorgegebenen Schwellwert und des Signal 18 des Sensors 15 mit einem dritten vorgegebenen Schwellwert ein sicheres und frühzeitiges Erkennen des Flammenrückschlages ermöglichen.
  • Fig. 4 zeigt ein Signal 18 des Sensors 15 gemäß Fig. 2, wobei der Sensor 15 sich hier nicht im Sättigungszustand befindet. Erkennbar tritt ein nur sehr geringes Rauschen im Vorfeld des Zeitpunktes 24 des Auftretens eines Flammenrückschlages auf. Auch hier kann Vergleichen einer ersten Ableitung dy dt
    Figure imgb0007
     des Signals 18 des Sensors 15 mit einem zweiten vorgegebenen Schwellwert und des Signals 18 des Sensors 15 mit einem dritten vorgegebenen Schwellwert ein sicheres und frühzeitiges Erkennen des Flammenrückschlages ermöglichen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Fördereinrichtung
    3
    Brenner
    4
    Luftzufuhr
    5
    Gasventil
    6
    Vorlauf
    7
    Regel- und Steuergerät
    8
    Gaszuführung
    9
    Rücklauf
    10
    Abgasrohr
    11
    Abgasanlage
    12
    Gemischkanal
    13
    Wärmetauscher
    14
    Heizkreislauf
    15
    Sensor
    16
    Durchströmungsrichtung
    17
    Zünder
    18
    Signal Sensor
    19
    Differential
    20
    Wichtung
    21
    Mittelwertbildung
    22
    Auswertelogik
    23
    Flammenzustand
    24
    Zeitpunkt Flammenrückschlag

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1), aufweisend eine Flammenüberwachung für einen Brenner (3) des Heizgerätes (1) mit mindestens einem Sensor (15), wobei
    anhand einer ersten Ableitung und einer zweiten Ableitung des Signals (18) des Sensors (15) ein Vergleichswert berechnet und anhand eines Vergleiches des ersten Vergleichswertes mit einem ersten vorgegebenen Schwellwert ein Flammenzustand (23) festgestellt wird, und/ oder
    der mindestens eine Sensor (15) ein UV-Sensor ist und eine erste Ableitung des Signals (18) des Sensors (15) mit einem zweiten vorgegebenen Schwellwert und das Signal des Sensors (15) mit einem dritten vorgegebenen Schwellwert verglichen werden und ein Flammenzustand (23) festgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vergleichswert berechnet wird, indem die erste Ableitung und die zweite Ableitung berechnet werden, jeweils mit einem vorgegebenen Faktor zur Wichtung (20) multipliziert werden und ein Mittelwert mittels einer Mittelwertbildung (21) als Vergleichswert ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei unterschiedliche Faktoren zur Wichtung (20) für unterschiedliche Betriebszustände des Heizgerätes (1) vorgegeben sind.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feststellen des Flammenzustands (23) ein Feststellen eines Flammenverlustes und/ oder eines Flammenrückschlages beinhaltet.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Rohdaten des Signals (18) des als UV-Sensor ausgebildeten Sensors (15) zum Vergleich mit dem dritten Schwellwert herangezogen werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das UV-Signal des Sensors (15) nicht in einem Sättigungsbereich liegt und Rohdaten des Signals (18) des Sensors (15) mit dem dritten Schwellwert verglichen werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizgerät (1) mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben wird.
  8. Regel- und Steuergerät (7), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Heizgerät (1), eingerichtet zur Verbrennung eines Brennstoffes an einem Brenner (3), und aufweisend eine Flammenüberwachung mit mindestens einem Sensor (15), sowie Mittel, die so angepasst sind, dass sie die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführen.
  10. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Heizgerät (1) nach Anspruch 9 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
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