EP4522915A1 - Verfahren zum betrieb einer brennereinrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer brennereinrichtung

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Publication number
EP4522915A1
EP4522915A1 EP23731514.8A EP23731514A EP4522915A1 EP 4522915 A1 EP4522915 A1 EP 4522915A1 EP 23731514 A EP23731514 A EP 23731514A EP 4522915 A1 EP4522915 A1 EP 4522915A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ignition
voltage
flame
ignition transformer
monitoring
Prior art date
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Pending
Application number
EP23731514.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Paesler
Martin Ries
Sven Stutzmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Viessmann Holding International GmbH
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Viessmann Climate Solutions SE filed Critical Viessmann Climate Solutions SE
Publication of EP4522915A1 publication Critical patent/EP4522915A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks
    • F23Q3/008—Structurally associated with fluid-fuel burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N2227/00—Ignition or checking
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/12—Flame sensors with flame rectification current detecting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/12—Fail safe for ignition failures

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a burner device according to the preamble f of patent claim 1.
  • a device for carrying out a method of the type mentioned at the beginning is known from the patent document DE 10 2020 107 735 A1 (also registered by the applicant). 10
  • an ignition voltage is generated using an ignition transformer. This is measured at the ignition transformer and transferred to an ignition electrode to ignite a flame.
  • this solution uses a so-called ionization electrode, which is not explicitly described in the document but is known to the applicant. H .
  • This solution has an ignition electrode on the one hand and an ionization electrode on the other.
  • the invention is based on the object of improving a method of the type mentioned at the beginning.
  • a method should be created in which the existing ignition transformer and the existing ignition electrode are used even better.
  • a monitoring voltage which is below the ignition voltage is generated and this is sent to the as Monitoring electrode working ignition electrode is transferred and measured for flame monitoring on the ignition transformer.
  • the method according to the invention is characterized in that the ignition electrode is used not only to ignite the burner device, but also to monitor the ignited flame.
  • Figure 1 is a circuit diagram showing the method according to the invention. 20
  • FIG. 1 illustrates a possible implementation of the method according to the invention.
  • an ignition voltage is first generated in a manner known per se using an ignition transformer 1. This is then also measured at the ignition transformer 1 (arrow 15) and transmitted to an ignition electrode 2 to ignite a flame (see arrow 11).
  • the ignition electrode 2 is optionally operated with a voltage between 0.8 and 25 kV and/or is formed from two electrode wires (known per se, not shown separately).
  • the ignition of the Flame is carried out at a constant air volume flow to the burner device.
  • the ignition transformer 1 is equipped with a pulse width modulation generator
  • the pulse width modulation generator 3 itself is preferably operated with alternating voltage (arrow 18). Furthermore, it is preferably provided that the pulse width modulation generator 3 is controlled with a control device 4 (see arrows 13 and 14). 20
  • Control device 4 is directed.
  • control device 4 generates a flame monitoring signal (see arrow 17) from the pulse width modulation generator 3 based on measurement signals from the ignition transformer 1 and 5. This is preferably provided by the control device 4 in the form of an electrical voltage between 0 and 10 V.
  • a gas containing at least a portion of hydrogen is burned with the burner device.
  • the burner device produces a gas with at least 20 vol. -% hydrogen f is burned.
  • the burner is started by simply initially supplying a constant air volume flow to the combustion system.
  • the ignition is then switched on, causing high-voltage discharges above the minimum ignition energy of the fuel gas-air mixture to form between the electrodes (wires).
  • the resulting plasma of ionized air reaches the maximum breakdown voltage, which is coupled out on the primary side of the ignition transformer 1 in the form of a voltage signal. If "safe" ignition is guaranteed, the gas valve is opened and the gas control valve is moved according to the characteristic curve (so-called gas ramp).
  • thermochemical, predominantly exothermic reactions immediately begin, which lead to self-sustaining flame propagation within the ignition limits of the respective fuel gas-air mixture after the ignition delay time has elapsed.
  • the conductivity of the flame leads to a drop in the breakdown voltage, 5 which in turn is used by the voltage signal coupled out on the primary side for flame detection with a corresponding stop of the gas ramp of the gas control valve.
  • the voltage from the ignition transformer is regulated below the breakdown voltage, in particular by pulse width modulation, so that in the event of a flame loss or flame displacement, no ignition spark occurs between the electrodes (the minimum ignition energy is not reached).
  • the electrical conductivity of the flame can be measured by applying the alternating voltage.
  • the proportion of hydrocarbons in the fuel gas-air mixture is directly correlated with the rectification effect of the alternating electrical voltage, so that flame monitoring via ionization current is also possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung, bei dem mit einem Zündtransformator (1) eine Zündspannung erzeugt, diese am Zündtransformator (1) gemessen und zur Zündung einer Flamme an eine Zündelektrode (2) übertragen wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass nach Zündung der Flamme mit dem Zündtransformator (1) eine unterhalb der Zündspannung liegende Überwachungsspannung erzeugt, diese an die als Überwachungselektrode arbeitende Zündelektrode (2) übertragen und zur Flammenüberwachung am Zündtransformator (1) gemessen wird.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung
Die Erfindung betrif ft ein Verfahren zum Betrieb einer Bren- 5 nereinrichtung gemäß dem Oberbegrif f des Patentanspruchs 1 .
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der eingangs genannten Art ist aus dem ( ebenfalls von der Anmelderin angemeldeten ) Patentdokument DE 10 2020 107 735 Al bekannt . 10 Bei dieser Vorrichtung wird mit einem Zündtransformator eine Zündspannung erzeugt . Diese wird am Zündtransformator gemessen und zur Zündung einer Flamme an eine Zündelektrode übertragen . Zur Überwachung der brennenden Flamme wird bei dieser Lösung , was im Dokument nicht explizit beschrieben , aber der Anmelde- 15 rin bekannt ist , eine sogenannte lonisationselektrode verwendet , d . h . diese Lösung weist einerseits eine Zündelektrode und andererseits eine lonisationselektrode auf .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren der 20 eingangs genannten Art zu verbessern . Insbesondere soll ein Verfahren geschaf fen werden , bei dem der vorhandene Zündtransformator und die vorhandene Zündelektrode noch besser genutzt werden .
25 Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst .
Nach der Erfindung ist also vorgesehen , dass nach Zündung der 30 Flamme mit dem Zündtransformator eine unterhalb der Zündspannung liegende Überwachungsspannung erzeugt , diese an die als Überwachungselektrode arbeitende Zündelektrode übertragen und zur Flammenüberwachung am Zündtransformator gemessen wird .
Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit dadurch aus , dass die Zündelektrode nicht nur zur 5 Zündung der Brennereinrichtung , sondern darüber hinaus auch zur Überwachung der gezündeten Flamme verwendet wird .
Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen . 10
Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert . 15
Es zeigt schematisch
Figur 1 ein Schaltbild zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens . 20
Das in Figur 1 gezeigte Schaltbild veranschaulicht eine mögliche Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens . Bei diesem wird zunächst in an sich bekannter Weise mit einem Zündtrans formator 1 eine Zündspannung erzeugt . Diese wird dann außerdem 25 am Zündtransformator 1 gemessen ( Pfeil 15 ) und zur Zündung einer Flamme an eine Zündelektrode 2 übertragen ( siehe Pfeil 11 ) . Dabei ist weiterhin bevorzugt vorgesehen , dass die Zündelektrode 2 wahlweise mit einer Spannung zwischen 0 , 8 und 25 kV betrieben wird und/oder aus zwei Elektrodendrähten ( an sich 30 bekannt , nicht extra dargestellt ) gebildet ist . Besonders bevorzugt ist dabei außerdem vorgesehen , dass die Zündung der Flamme bei einem konstanten Luftvolumenstrom zur Brennereinrichtung durchgeführt wird.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei nun, dass nach Zündung der Flamme mit dem Zündtransformator 1 eine 5 unterhalb der Zündspannung liegende Überwachungsspannung erzeugt, diese an die als Überwachungselektrode arbeitende Zündelektrode 2 übertragen (Pfeil 11) und zur Flammenüberwachung am Zündtransformator 1 gemessen wird (Pfeil 15) . Wie eingangs bereits ausgeführt, ist es auf diese Weise möglich, die Zünde- 10 lektrode 2 auch als Überwachungselektrode zu verwenden.
Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Zündtransformator 1 mit einer von einem Pulsweitenmodulationsgenerator
3 erzeugten elektrischen Spannung betrieben wird (siehe Pfeil 15 12) . Der Pulsweitenmodulationsgenerator 3 selbst wird dabei vorzugsweise mit Wechselspannung betrieben (Pfeil 18) . Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Pulsweitenmodulationsgenerator 3 mit einer Regeleinrichtung 4 geregelt wird (siehe die Pfeile 13 und 14) . 20
Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die pulsweitenmodulierte Zündspannung am Zündtransformator 1 mit einer Spannungsmesseinrichtung gemessen wird (siehe nochmals Pfeil 15) . Noch etwas genauer betrachtet, ist dabei weiterhin bevorzugt 25 vorgesehen, dass die am Zündtransformator 1 gemessene Überwa- chungsspannung als Messsignal an die Regeleinrichtung 4 weitergeleitet wird (siehe Pfeile 15 und 16) . Außerdem ist dabei noch bevorzugt vorgesehen, dass die am Zündtransformator 1 gemessene Überwachungsspannung über eine Abtast-Halte-Schaltung 30 5 (siehe hierzu insbesondere https://de.wikipedia.org/wZin- dex . php ? tit le=Sample-and-Hold- Schal tung&oldid=219320546 ) zur
Regeleinrichtung 4 geleitet wird .
Ferner ist noch bevorzugt vorgesehen , dass die Regeleinrichtung 4 auf Basis von Messsignalen vom Zündtransformator 1 und 5 vom Pulsweitenmodulationsgenerator 3 ein Flammenüberwachungs- signal ( siehe Pfeil 17 ) erzeugt . Dieses wird dabei von der Regeleinrichtung 4 bevorzugt ein Form einer elektrischen Spannung zwischen 0 und 10 V bereit gestellt .
10
Ferner ist noch bevorzugt vorgesehen , dass mit der Brennereinrichtung ein mindestens anteilig Wasserstof f enthaltendes Gas verbrannt wird . Noch etwas genauer betrachtet , ist ganz besonders bevorzugt vorgesehen , dass mit der Brennereinrichtung ein Gas mit mindestens 20 Vol . -% Wasserstof f verbrannt wird . 15
Nochmals in anderen Worten ausgedrückt zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere wie folgt aus :
Der Brennerstart erfolgt , indem dem Verbrennungssystem Vorzug- 20 weise zunächst einfach ein konstanter Luftvolumenstrom zugeführt wird . Anschließend wird die Zündung eingeschaltet , wodurch sich Hochspannungsentladungen oberhalb der Mindestzündenergie des Brenngas-Luftgemisches zwischen den Elektroden ( - drähten ) ausbilden . Innerhalb weniger Millisekunden wird durch 25 das entstehende Plasma der ionisierten Luft die maximale Durchbruchspannung erreicht , welche auf der Primärseite des Zündtransformators 1 in Form eines Spannungssignals ausgekoppelt wird . Sofern eine " sichere" Zündung gewährleistet ist , wird das Gasventil geöf fnet und das Gasregelventil gemäß Kenn- 30 linie ( sogenannte Gasrampe ) verfahren . Nachdem das Brenngas- Luftgemisch den Brennraum bzw. die Elektroden erreicht hat , setzen unverzüglich thermochemische , vorwiegend exotherme Reaktionen ein , die nach Ablauf der Zündverzugszeit innerhalb der Zündgrenzen des j eweiligen Brenngas-Luftgemisches zu einer selbst erhaltenden Flammenausbreitung führen . Die Leitfähigkeit der Flamme führt zu einem Abfall der Durchbruchspannung , 5 welche wiederum durch das primärseitig ausgekoppelte Spannungssignal zur Flammenerkennung mit entsprechendem Stopp der Gasrampe des Gasregelventils verwendet wird . Nach Ablauf der Sicherheitszeit wird die Spannung vom Zündtransformator insbesondere durch Pulsweitenmodulation unterhalb der Durchschlag- 10 Spannung geregelt , so dass im Falle eines Flammenverlustes bzw. einer Flammenverlagerung kein Zündfunke zwischen den Elektroden ( Unterschreitung der Mindestzündenergie ) entsteht . Durch die angelegte Wechselspannung kann die elektrische Leitfähigkeit der Flamme gemessen werden . Zusätzlich steht der An- 15 teil der Kohlenwasserstof fe im Brenngas-Luftgemisch in direkter Korrelation mit dem Gleichrichteref fekt der elektrischen Wechselspannung, so dass eine Flammenüberwachung via lonisati- onsstrom ebenfalls möglichst ist .
Bezugszeichenliste
1 Zündtrans formator
2 Zündelektrode
3 Pulsweitenmodulationsgenerator
4 Regeleinrichtung
5 Abtast-Halte-Schaltung
11 bis 18 Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung, bei dem mit einem Zündtransformator (1) eine Zündspannung erzeugt, diese am Zündtransformator (1) gemessen und zur Zündung einer Flamme an eine Zündelektrode (2) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Zündung der Flamme mit dem Zündtransformator (1) eine unterhalb der Zündspannung liegende Überwachungsspan- nung erzeugt, diese an die als Überwachungselektrode arbeitende Zündelektrode (2) übertragen und zur Flammenüberwachung am Zündtransformator (1) gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz e ichnet , dass der Zündtransformator (1) mit einer von einem Pulsweitenmodulationsgenerator (3) erzeugten elektrischen Spannung betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennz e ichnet , dass die pulsweitenmodulierte Zündspannung am Zündtransformator (1) mit einer Spannungsmesseinrichtung gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennz e ichnet , dass der Pulsweitenmodulationsgenerator (3) mit einer Regeleinrichtung (4) geregelt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennz e ichnet , dass die am Zündtransformator (1) gemessene Überwachungsspannung als Messsignal an die Regeleinrichtung (4) weitergeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennz e ichnet , dass die am Zündtransformator (1) gemessene Überwachungsspannung über eine Abtast-Halte-Schaltung (5) zur Regeleinrichtung (4) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennz e ichnet , dass die Regeleinrichtung (4) auf Basis von Messsignalen vom Zündtransformator (1) und vom Pulsweitenmodulationsgenerator (3) ein Flammenüberwachungssignal erzeugt. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennz e ichnet , dass das Flammenüberwachungssignal von der Regeleinrichtung (4) ein Form einer elektrischen Spannung zwischen 0 und 10 V bereit gestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz e ichnet , dass mit der Brennereinrichtung ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verbrannt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennz e ichnet , dass mit der Brennereinrichtung ein Gas mit mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff verbrannt wird.
EP23731514.8A 2022-05-11 2023-05-05 Verfahren zum betrieb einer brennereinrichtung Pending EP4522915A1 (de)

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