EP4675169A1

EP4675169A1 - Verfahren zum betreiben eines heizgeräts, heizgerät und computerprogrammprodukt

Info

Publication number: EP4675169A1
Application number: EP25186506.9A
Authority: EP
Inventors: Thomas Lemagnen
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2024-07-05
Filing date: 2025-07-01
Publication date: 2026-01-07
Also published as: DE102024119191A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgeräts (1) eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff und aufweisend einen in einer Brennkammer (8) angeordneten Brenner (3), dem ein Verbrennungsgemisch aus dem Brenngas und Verbrennungsluft mit einem in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts (1) vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis A zugeführt wird, durch eine Brennzone (15) in die Brennkammer (8) austritt und verbrennt, und das einzustellende Verbrennungsluftverhältnis A als Kennlinie in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts (1) in einer Verbrennungsregelung des Heizgeräts (1) hinterlegt ist, umfassend zumindest die nachfolgenden Schritte:a) Festlegen eines Grenzverbrennungsluftverhältnisses A G(Q) (17) in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts (1),b) Vergleichen des Verbrennungsluftverhältnisses A gemäß der hinterlegten Kennlinie mit dem in Schritt a) festgelegten Grenzverbrennungsluftverhältnis A G(Q) (17), undc) Betreiben des Heizgeräts (1) mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis A G(Q) (17), wenn für die aktuelle Wärmeleistung Q das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis A kleiner dem Grenzverbrennungsluftverhältnis A G(Q) (17) ist, und Betreiben des Heizgeräts (1) mit dem gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis λ , wenn für die aktuelle Wärmeleistung Q das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis A größer dem Grenzverbrennungsluftverhältnis A G(Q) (17) ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Heizgeräts, ein Heizgerät und ein Computerprogrammprodukt. Das Heizgerät ist mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas, insbesondere mit einem Brenngas enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff, betreibbar.
Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser.
Brenner zum Einsatz in derartigen Heizgeräten sind weithin bekannt. Ein solcher Brenner ist häufig an einer Brennertür montiert, die in eine Brennkammer mit umliegendem Wärmetauscher eingebaut ist. Der Brenner kann dabei einen Brennerkörper mit zumindest einem perforierten Bereich umfassen, aus dem ein vorgemischtes, brennbares Brenngas-Luft-Gemisch (Verbrennungsgemisch) austreten kann. Das Verbrennungsgemisch strömt durch die Brennertür in den Brenner und tritt durch den perforierten Bereich in die Brennkammer aus und verbrennt. Der Brenner kann dabei eine Zylinderform oder (Halb-)Kugelform aufweisen oder flach ausgebildet sein.
In den perforierten Bereich sind Löcher (Ausströmöffnungen) eingebracht, bevorzugt derart, dass die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches in den Verbrennungsraum auf die jeweilige (vom Brenngas abhängige) Flammgeschwindigkeit abgestimmt ist. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Flamme mit einem gewissen Abstand zu einer Oberfläche eines Brennerkörpers brennt, um dessen Temperatur niedrig zu halten. Dies ist über einen gesamten Modulationsbereich (Bereich unterschiedlicher einstellbarer Leistung) des Heizgerätes anzustreben. Die Temperatur des Brennerkörpers darf in keinem Fall die Zündtemperatur des Brenngas-Luft-Gemisches erreichen, um ein Rückzünden innerhalb des Brenners (Flammenrückschlag in einen Innenraum des Brennerkörpers) zu verhindern.
Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen. Insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar (strahlt aber im ultravioletten Spektralbereich), strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, brennt aber heißer und hat eine im Vergleich zu fossilen Brenngasen deutlich höhere Flammengeschwindigkeit.
Bei der Konstruktion von Brennerkörpern zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltenden Brenngasen muss eine erhöhte Flammengeschwindigkeit gegenüber fossilen Brenngasen einbezogen werden, da diese ein Auftreten von Flammenrückschlägen begünstigt. Um dem entgegenzuwirken, kann der Brenner mit einem erhöhten Lambda (Verbrennungsluftverhältnis, Luftzahl) betrieben werden. Ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas zur Vermeidung von Flammenrückschlägen wird beispielsweise in der WO 2020/ 182 902 A1 beschrieben.
Auch die WO 2020/ 197 391 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennungsregelung eines Gasbrenners, das sowohl Flammenrückschläge als auch zu hohe Temperaturen des Brennerkörpers verhindern soll, die zu einem Auftreten eines Flammenrückschlags beitragen können. Es wird vorgeschlagen, in Abhängigkeit einer Eingangsvariable, die beispielsweise in Zusammenhang mit der Wärmeanforderung oder der zugeführten Durchflussmenge Brennstoff oder Verbrennungsluft stehen kann, eine Sollluftzahl zu bestimmen und diese in die Regelung einzubeziehen. Die US 2022/ 0 120 440 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas, wobei gemäß dem Verfahren die Luftzahl beispielsweise an eine erfasste Temperatur des Brenners angepasst werden kann.
Neben dem Risiko des Auftretens eines Flammenrückschlages wurde ein Auftreten von Rissen und/ oder Brüchen der Brenneroberfläche bei wasserstoffbetriebenen Brennern festgestellt. Das Auftreten dieser Risse oder Brüche ist unabhängig von einem Auftreten von Flammenrückschlägen und senkt die Lebenserwartung eines mit Wasserstoff als Brenngas betriebenen Brenners erheblich und erfordert zudem einen hohen Reparatur- und Kostenaufwand, um den Schaden zu beheben. Zudem kann ein derartiger Riss in der Brenneroberfläche den Strömungsquerschnitt des Brenners erhöhen und damit die Ausströmgeschwindigkeit absenken, wodurch ein Auftreten eines Flammenrückschlages begünstigt wird.
Das oben beschriebene Problem des Auftretens von Rissen und Brüchen in der Brenneroberfläche wurde im Stand der Technik bisher nicht gelöst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines mit Wasserstoff als Brenngas betriebenen Heizgeräts, ein Heizgerät sowie ein Computerprogramm vorzuschlagen, die ein Auftreten von Rissen und Brüchen in der Brenneroberfläche wirkungsvoll verhindern. Zudem soll die Erfindung die Komplexität eines Heizgeräts nicht oder zumindest nicht wesentlich erhöhen und insbesondere auch mit Heizgeräten einsetzbar sein, die auf eine Verbrennung von Wasserstoff umgerüstet sind.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den 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 Heizgeräts bei, das zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff eingerichtet ist und einen in einer Brennkammer angeordneten Brenner mit einem Brennerkörper umfasst. Dem Brenner wird ein Verbrennungsgemisch aus dem Brenngas und Verbrennungsluft mit einem in Abhängigkeit der Wärmeleistung des Heizgeräts vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis zugeführt. Das Verbrennungsgemisch tritt durch den Brennerkörper in die Brennkammer aus und verbrennt dort. Das vorgegebene bzw. einzustellende Verbrennungsluftverhältnis ist als Kennlinie in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts in einer Verbrennungsregelung des Heizgeräts hinterlegt, insbesondere abrufbar gespeichert. Das Verfahren umfasst weiter zumindest die folgenden Schritte:

a) Festlegen eines Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) in Abhängigkeit der Wärmeleistung des Heizgeräts,
b) Vergleichen des vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ gemäß der hinterlegten Kennlinie mit dem in Schritt a) festgelegten Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q), und
c) Betreiben des Heizgeräts (A) mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q), wenn für die aktuelle Wärmeleistung des Heizgeräts das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis kleiner dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist, und (B)

Betreiben des Heizgeräts mit dem gemäß der Kennlinie vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis, wenn für die aktuelle Wärmeleistung das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis größer (oder gleich) dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist.
Die Schritte a), b) und c) werden bei einer regulären Verfahrensdurchführung mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Insbesondere kann der Schritt a) einmalig durchgeführt werden und die Schritte b) und c) während des Betriebs des Heizgeräts dauerhaft wiederholt werden, insbesondere bei jedem Modulationsvorgang des Heizgeräts, also bei jeder Änderung des Betriebspunktes bzw. der Wärmeleistung des Heizgeräts. Das Verfahren dient einer Verlängerung der Standzeit eines Brenners eines Heizgeräts insbesondere des Brennerkörpers und einer Vermeidung von Rissen und Brüchen des Brennerkörpers. Das Verfahren kann insbesondere vollständig automatisiert, beispielsweise durch ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes durchgeführt werden.
Das Heizgerät, der Brenner sowie der Brennerkörper können zur Verbrennung von Wasserstoff oder eines Brenngases mit einem Wasserstoffanteil eingerichtet sein. Wasserstoff als Brennstoff ist aufgrund der Möglichkeit einer nachhaltigen Herstellung vorteilhaft. Der Wasserstoffanteil im Brenngas kann insbesondere mindestens 80 Prozent [%], mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 % oder sogar 98 % bis 100 % betragen.
Das Heizgerät weist eine Fördereinrichtung auf, die einen Massestrom Verbrennungsluft ansaugen kann. Dem Massestrom Verbrennungsluft wird ein Massestrom Brenngas entsprechend einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis durch ein Gasventil zugefügt und das entstehende Verbrennungsgemisch wird dem in der Brennkammer des Heizgeräts angeordneten Brenner zugeführt, tritt durch einen Brennerkörper aus und verbrennt. Hierzu kann das Verbrennungsgemisch bei einer Inbetriebnahme des Heizgeräts durch eine Zündeinrichtung entzündet werden. Das Heizgerät kann einen Flammensensor umfassen, der ein Flammensignal bereitstellt, das von einer Verbrennungsregelung des Heizgeräts herangezogen wird. Um bzw. an der Brennkammer kann mindestens ein Wärmetauscher zur Übertragung der bei der Verbrennung entstehenden Wärme auf einen Wärmeträger beispielsweise Heizungswasserverwendet werden. Insbesondere kann es sich bei dem Heizgerät um ein Brennwert-Heizgerät handeln, das die Reaktionsprodukte der Verbrennung unterhalb des Taupunktes von Wasser abkühlt und so die Kondensationswärme der Abgase der Verbrennung nutzbar macht.
Bei dem Flammensensor kann es sich um einen Temperatursensor zur Erfassung einer Flammentemperatur, einen UV- Sensor, also einen Sensor zur Erfassung von ultravioletter Strahlung, die von der Flamme emittiert wird, oder einen Ionisationssensor (Ionisationselektrode) zur Erfassung eines Ionisationsstroms der Flamme handeln. Bei einem mit Wasserstoff betriebenen Heizgerät besteht jedoch der Nachteil, dass nur wenige Ladungsträger freigesetzt werden, so dass eine Ionisationsstrommessung als Flammensignal nicht robust möglich ist. Daher kommen bei mit Wasserstoff als Brenngas betriebenen Heizgeräten häufig UV-Sensoren oder Temperatursensoren zur Flammenüberwachung zum Einsatz.
Es sind verschiedene Verfahren zur Gemischbildung bekannt, insbesondere kann das Heizgerät einen pneumatischen oder elektronischen Gas-Luftverbund bilden. Bei einem pneumatischen Gas-Luftverbund wird ein Massestrom Brenngas zugesetzt, der einem Steuerdruck in einer Drosselstelle (Venturi) der Verbrennungsluftzuführung entspricht. Ein elektronischer Gas-Luftverbund erfasst direkt oder indirekt, beispielsweise über die Drehzahl der Fördereinrichtung, den zugeführten Massestrom Brenngas und steuert den beizufügenden Massestrom Brenngas. Hierzu weisen die Heizgeräte ein Gasventil auf, das einen Massestrom Brenngas dosieren kann.
Das Heizgerät kann verschiedene Betriebspunkte innerhalb eines Modulations- bzw. Leistungsbereiches anfahren und so mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden. Moderne Heizgeräte weisen zur Steigerung der Effizienz und Standzeit häufig einen großen Modulationsbereich auf, beispielsweise von einer minimalen Wärmeleistung Q_min von 2,5 Kilowatt [kW] bis zu einer maximalen Wärmeleistung Q_max von 21 kW oder einem Modulationsrate (Verhältnis von maximaler zu minimaler Leistung) von 1 zu 5. Ein großer Modulationsbereich stellt aufgrund sehr unterschiedlicher Ausbildungen und Eigenschaften der Flamme hohe Anforderungen an den Brenner. Ein Betriebspunkt bzw. Modulationspunkt kann dabei auch als Wärmleistung Q des Heizgeräts verstanden werden.
Der Brenner kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein. Häufig kommen aufgrund einer guten Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie guter Verfügbarkeit Edelstahllegierungen zum Einsatz. Dabei kann es sich um ferritische oder austenitische Edelstahllegierungen handeln. Dabei haben sich austenitische Edelstahllegierungen durch einen höheren Aluminiumanteil im Vergleich zu ferritischen Edelstahllegierungen als vorteilhaft erwiesen.
Es wurde festgestellt, dass Risse oder Brüche des Brennerköpers bzw. insbesondere der Brennzone des Brennerkörpers bei Temperaturen oberhalb einer Grenztemperatur auftreten, die von Eigenschaften des Brenners (Material, Materialdicke, Fläche der Brennzone etc.) abhängig ist. Beispielhaft kann für einen Brenner in einem Bereich von 400 Grad Celsius [°C] bis 600 °C und für einen Brenner aus einer Edelstahllegierung in einem Bereich von 450 Grad Celsius [°C] bis 500 °C liegen. Ein Grund hierfür kann in einer schnelleren Atomdiffusion bzw. Oxidation der Eisenatome gegenüber den Chromatomen gesehen werden, die in einer Bildung von Fe₂O₃ resultiert. Nachteilig ist Fe₂O₃ spröde und begünstigt eine Rissbildung im Brennerkörper bzw. der Brennzone. Demgegenüber kann eine Bildung von Cr₂O₃ den Brennerkörper bzw. die Brennzone als Schutzschicht verstärken. Dabei ist festzustellen, dass ein Betrieb eines Brenners mit einer Temperatur des Brennerkörpers oberhalb von mehr als 600 °C mit einem hohen Risiko von Flammenrückschlägen verbunden ist und daher vermieden werden sollte. Demgegenüber besteht bei Temperaturen des Brenners unterhalb der Grenztemperatur ein nur sehr geringes Risiko eines Auftretens von Rissen oder Brüchen. Der hier vorgeschlagene Betrieb des Heizgerätes mit einem Verbrennungsluftverhältnis oberhalb eines Grenzverbrennungsluftverhältnisses soll sicherstellen, dass die Temperatur des Brenners des Heizgeräts beim Betrieb die Grenztemperatur nicht überschreitet.
Die geometrische Form des Brenners kann dabei eine beliebige Form sein. Insbesondere sind zylinderförmige oder flache Brenner bekannt. Ein Brennerhohlraum kann mit dem Gemischkanal des Heizgerätes verbunden sein, und eintretendes Brenngas kann über in einer Brennzone angeordnete Ausströmöffnungen aus dem Brennerhohlraum in die Brennkammer geleitet werden und verbrennen. Ein zylinderförmiger Brenner kann an einer Brennertür angeordnet sein und im Inneren den Brennerhohlraum ausbilden. Ein flacher Brenner kann mit einer Brennerhaube verbunden sein und der Brennerhohlraum durch den Brenner und die Brennerhaube begrenzt sein.
Der Brenner kann dabei monolithisch ausgebildet sein oder ein Brenneraustrittselement umfassen, das die Brennzone aufweist und mit dem Brennerkörper verbunden ist. Die Brennzone kann als Teilbereich der Brenneroberfläche verstanden werden und dazu eingerichtet sein, das Verbrennungsgemisch der Verbrennung zuzuführen. Hierfür weist die Brennzone Ausströmöffnungen (Löcher) auf. Die Brennzone kann dabei eine monolithische Einheit mit dem Brennerkörper bilden oder lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, mit diesem verbunden sein. An diese Verbindung bestehen bei einen zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichteten Brenner erhöhte Dichtheitsanforderungen, um Nebenströmungen, die einen Flammenrückschlag auslösen können, zu vermeiden.
Der Einsatz eines flachen Brenners ist in Verbindung mit Wasserstoff als Brenngas mit Schwierigkeiten verbunden. Zudem müssen die Ausströmöffnungen der Brennzone bei einem zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichteten Brenner einen gegenüber Brennern eingerichtet zur Verbrennung von fossilen Gasen geringeren Strömungsquerschnitt aufweisen, um eine ausreichende Ausströmgeschwindigkeit unterhalb der Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff zu erreichen. Für den Herstellungsprozess des Brenners sind aufgrund der notwendigen kleinen Ausströmöffnungen flache Brenner mit einer geringen Dicke (also der Ausdehnung in Durchströmungsrichtung des Brenners) vorteilhaft bzw. überhaupt prozesstechnisch umsetzbar. Nicht zuletzt können die hohen auftretenden Spannungen in einem Brenneraustrittselement aufgrund hoher Temperaturen auch die Einhaltung der erhöhten Dichtheitsanforderungen an einen zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichteten Brenner erschweren. So können auftretende Spannungen im Brenneraustrittselement auch auf die Verbindung von Brenneraustrittselement und Brenner einwirken und diese schwächen und dabei Nebenströmungen des Verbrennungsgemisches ermöglichen.
Dabei kann die Brennzone eine zumindest weitgehend flache (ebene) oder auch eine dreidimensionale Form aufweisen. Eine dreidimensionale Form kann dabei in einer Erhöhung oder Vertiefung gegenüber dem Brennerkörper oder einer anderen Form, beispielsweise einer Auswölbung, bestehen.
Die Brennzone und der Brennerkörper können dabei die gleiche Materialstärke (Dicke) aufweisen und in einem bekannten Bereich liegen. Es sind insbesondere bei einer lösbar mit dem Brennerkörper verbundenen Brennzone auch unterschiedliche Materialstärken von Brennzone und Brennerkörper denkbar.
Die Brennzone kann mehrere Ausströmbereiche für das Brenngas, in denen die Ausströmöffnungen angeordnet sind, umfassen. Die Ausströmöffnungen können dabei eine beliebige Form aufweisen, insbesondere werden hier eine kreisrunde, rechteckige, quadratische Form oder die Form eines Langloches genannt. Es ist dabei auch möglich unterschiedliche Formen innerhalb eines Ausströmbereiches zu kombinieren.
Auch die Anordnung der Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches ist beliebig. Eine geometrische Form des Ausströmbereiches, als äußere Kontur aller Ausströmöffnungen des Ausströmbereiches kann beispielhaft eine rechteckige, quadratische, annähernd kreisrunde, ovale Form oder auch die Form eines Rhombus oder Vieleckes sein. Die Ausrichtung von nicht rotationssymmetrischen Aufnahmebereichen bezogen auf eine Ausrichtung der Brennzone kann dabei gleichfalls variiert werden. Gemeinhin sollte die Anordnung der Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches zumindest näherungsweise gleichverteilt sein.
Die Kennlinie des einzustellenden Verbrennungsluftverhältnisses kann auf einem Speicher, beispielsweise des Regel- und Steuergeräts, das zur Verbrennungsregelung eingerichtet ist, hinterlegt sein. Die Kennlinie kann eine bekannte Kennlinie zur Verbrennungsregelung eines mit Wasserstoff zu betreibenden Heizgeräts sein. Die Kennlinie gibt somit ein einzustellendes Verbrennungsluftverhältnis in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgerätes an. Die Erfindung ermöglicht beim Betrieb des Heizgerätes Modulationsbereiche zu vermeiden, in denen bei Anwendung der Kennlinie kritische Temperaturen auftreten können und durch Modulationspunkte gemäß dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) zu ersetzen, die diese kritische Modulationsbereiche verhindern.
Gemäß Schritt a) des Verfahrens wird ein Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q), das von der Wärmeleistung des Heizgeräts abhängig ist, festgelegt. Ein Unterschreiten des Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) durch das Verbrennungsluftverhältnis des Heizgeräts beim Betrieb kann bewirken, dass die Temperatur des Brenners über die Grenztemperatur (beispielsweise 450 °C oder sogar 475°C) ansteigt, und somit ein erhöhtes Risiko einer Rissbildung besteht. Insofern kann ein Betreiben des Heizgerätes mit einem Verbrennungsluftverhältnis oberhalb des Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) somit eine Schwächung des Materials des Brenners und damit eine Bildung von Rissen oder Brüchen wirkungsvoll verhindern. Das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist dabei vom Heizgerät und insbesondere dessen Modulationsbereich, der Form und Material des Brenners und dem Wasserstoffgehalt des Brenngases abhängig. Das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) kann hierzu im Vorfeld durch Laborversuche an einem Referenzheizgerät ermittelt werden. Insofern kann die Durchführung des Schrittes a) lediglich einmalig bzw. bedarfsorientiert erfolgen. Für eine automatisierte Durchführung kann das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) auf einem Speicher, beispielsweise eines verfahrensdurchführenden Regel- und Steuergeräts, abrufbar gespeichert sein.
Gemäß Schritt b) kann das Verbrennungsluftverhältnis gemäß der hinterlegten Kennlinie mit dem in Schritt a) festgelegten Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) verglichen werden. Der Vergleich erfolgt dabei in Bezug auf eine aktuelle oder anzufahrende Wärmeleistung Q des Heizgeräts. Der Schritt b) kann dauerhaft bzw. permanent oder auch ausgelöst durch einen Modulationsvorgang, also einer Änderung / Anpassung der Wärmeleistung Q des Heizgeräts durchgeführt werden.
Gemäß Schritt c) kann ein Betreiben des Heizgeräts mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) erfolgen, wenn für die aktuelle Wärmeleistung das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis kleiner dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist. Ansonsten bzw. abweichend kann ein das Heizgerät mit dem gemäß der Kennlinie vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, wenn für die aktuelle Wärmeleistung das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis größer (oder gleich) dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist. Der Schritt c) stellt somit sicher, dass das Heizgerät immer mit einem Verbrennungsluftverhältnis größer dem festgelegten Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) betrieben wird und somit insbesondere Temperaturen des Brenners oberhalb der Grenztemperatur ausgeschlossen werden können. Der Schritt c) kann dauerhaft bzw. permanent oder auch ausgelöst durch einen Modulationsvorgang, also einer Änderung / Anpassung der Wärmeleistung Q des Heizgeräts durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann das in Schritt a) festgelegte Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) eine abschnittsweise lineare Funktion in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q sein. Hierzu kann das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) durch mehrere Punkte P_x(Q, λ _G(Q)) vorgegeben sein. Insbesondere kann das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) weniger als fünf lineare Abschnitte, oder insbesondere drei oder weniger lineare Abschnitte aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Funktion des Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) zwei Abschnitte aufweisen, nämlich einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt kann durch einen ersten Punkt und einen zweiten Punkt begrenzt sein und der zweite Abschnitt kann durch den zweiten Punkt und einen dritten Punkt begrenzt sein. Erster und zweiter Abschnitt grenzen also insbesondere unmittelbar im zweiten Punkt aneinander an. Der erste Punkt kann durch ein Grenzverbrennungsluftverhältnis $λ_{G} (Q) = A - B \times \frac{Qmin}{Q_{\max}}$ bei der (vorbekannten bzw. eingerichteten) minimalen Wärmeleistung Qmin des Heizgeräts gegeben sein. Der Parameter A kann hierbei in einem Bereich 1,9<A<2,2 liegen und der Parameter B in einem Bereich 1,3<B<1,7 liegen. Der zweite Punkt kann bei einer Wärmeleistung Q in einem Bereich von 40 % bis 80 % der (vorbekannten bzw. eingerichteten) maximalen Wärmeleistung Q_max des Heizgeräts liegen. Der dritte Punkt kann bei der (vorbekannten bzw. eingerichteten) maximalen Wärmeleistung Q_max des Heizgeräts. Weiter kann dann vorgesehen sein, dass im zweiten Abschnitt das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) konstant ist und in einem Bereich von 1< λ _G<1,2 liegt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann dem Verfahren ein Schritt 0) vorausgehen, welcher ein Umrüsten des Heizgerätes von einer Verbrennung eines Brenngases enthaltend kein oder weniger als 20 Prozent [%] Wasserstoff hin zu einem Heizgerät einer Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent [%] Wasserstoff umfasst. Dieser Schritt 0) kann zum Beispiel den Austausch von mindestens einem an den Wasserstoff-Betrieb angepassten Bauteil umfassen, wie das Gasventil, eine Gasdüse, eine Dichtung, etc. Schritt 0) kann zum Beispiel ein Update bzw. Austausch einer Heizgerätesoftware umfassen, insbesondere die der Verbrennungsregelung zu Grunde liegende Kennlinien des Verbrennungsluftverhältnisses. Insofern kann das Verfahren auch zur Umrüstung und Inbetriebnahme eines Heizgerätes auf den Betrieb mit einem Brenngas enthaltend mindestens 80% Wasserstoff beitragen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Brenner eine Flammensperre aufweisen. Diese kann zwischen der Brenneroberfläche und dem Gemischkanal angeordnet sein und aus einem bekannten Material bestehen. Eine Flammensperre kann das Risiko eines Flammenrückschlages erheblich senken, da ein Durchtreten der Flamme in den Gemischkanal vermieden wird.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, eingerichtet bzw. umgerüstet auf eine Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 % Wasserstoff. Das Heizgerät umfasst eine Fördereinrichtung zur Förderung eines Massestromes Verbrennungsluft, ein Gasventil zur Dosierung des zuzusetzenden Brenngases, eine Brennkammer und einen in der Brennkammer angeordneten Brenner sowie ein Regel- und Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis des Heizgeräts einzustellen. Das Heizgerät kann ein Regel- und Steuergerät umfassen, das zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet ist. Das Regel- und Steuergerät kann einen Prozessor aufweisen, der Befehle eines Computerprogramms, die eine Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens bewirken, ausführen kann. Das Regel- und Steuergerät kann zudem einen Speicher aufweisen, auf dem ein Computerprogrammprodukt, das ein hier vorgeschlagenes Verfahren ausführt und auf dem verfahrensbezogene Parameter, wie beispielsweise eine Kennlinie oder ein Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q), hinterlegt werden oder sind.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das ein hier vorgeschlagenes Heizgerät dazu veranlasst, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Heizgerät sowie dem Computerprogramm auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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.
Hier werden somit ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgeräts, ein Heizgerät sowie ein Computerprogramm vorgeschlagen, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ermöglichen das Verfahren, das Heizgerät und das Computerprogramm ein robustes Betreiben des Heizgerätes und dabei insbesondere die Standzeit des Brenners bzw. Brennerkörpers erheblich zu steigern.
Zudem kann die Erfindung besonders einfach implementiert werden, beispielsweise in Form eines Softwareupdates im Rahmen einer Umrüstung eines Heizgerätes von einer Nutzung fossiler/ natürlicher Brenngase auf eine Nutzung von wasserstoffhaltigen Brenngasen mit einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80%.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1:: einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,
Fig. 2:: ein hier vorgeschlagenes Heizgerät, und
Fig. 3:: Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch den Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die mit Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Durchführung der Schritte a), b) und c) kann bei einem regulären Verfahrensablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Insbesondere kann der Schritt a) einmalig durchgeführt werden. Die Schritte b) und c) können dauerhaft, permanent wiederholt oder ausgelöst durch einen Modulationsvorgang also eine Änderung des Betriebspunktes bzw. der Wärmeleistung des Heizgerätes 1 durchgeführt werden. Das Verfahren dient einer Verlängerung der Standzeit des Brenners 3 des Heizgerätes 1 und damit einem robusten Betrieb des Heizgerätes 1.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann über eine Verbrennungsluftzuführung 4 Verbrennungsluft durch eine Fördereinrichtung 2 ansaugen und über ein Gasventil 5 ein Brenngas aus einer Gaszuführung 13, beispielsweise Wasserstoff, dem angesaugten Massestrom Verbrennungsluft zusetzen. Das Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann nunmehr über einen Gemischkanal 11 einem in einer Brennkammer 8 angeordneten Brenner 3 zugeführt werden. Der Brenner 3 kann an einer Brennertür 6 befestigt und mit dem Gemischkanal 11 derart verbunden sein, dass das Verbrennungsgemisch in einen, von einem Brennerkörper 14 umgebenen Brennerhohlraum strömen kann. Anschließend kann das Verbrennungsgemisch über eine Brennzone 15 des Brenners 3 austreten und verbrannt werden.
Die Verbrennungsprodukte können über ein Abgasrohr 9 aus der Brennkammer 8 einer Abgasleitung (Abgasanlage) 10 zugeführt werden. An der Brennertür 6 kann auch eine Flammenüberwachung 12 angeordnet sein kann, beispielsweise ein UV-Sensor. Der UV-Sensor kann vor den hohen Temperaturen des Brenners 3 geschützt außerhalb der Brennkammer 8 angeordnet sein. Das Heizgerät 1 kann zudem ein Regel- und Steuergerät 7 aufweisen. Das Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff als Brennstoff eingerichtet sein. Hierfür kann der Brenner 3 einen zur Verbrennung von Wasserstoff geeigneten Brennerkörper 14 mit einer Brennzone 15 aufweisen.
Das Regel- und Steuergerät ist dazu eingerichtet, ein hier vorgeschlagenes Verfahren, also die Blöcke 110, 120 und 130 auszuführen und kann dafür einen Speicher umfassen, auf dem ein hier vorgeschlagenes Computerprogrammprodukt 16 hinterlegt ist.
Fig. 3 zeigt beispielhaft Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können. Es ist ein Diagramm dargestellt, das ein den in Kilowatt angegebenen Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses λ in Abhängigkeit von der Wärmeleistung Q des Heizgerätes darstellt. Zudem sind entsprechende Temperaturen des Brenners 3 bzw. der Brennzone 15 für die jeweiligen Betriebspunkte aufgezeigt. Das Heizgerät 1 hat eine minimale Wärmeleistung Q_min 23 von 5 kW und eine maximale Wärmeleistung Q_max 23 von 35 kW und somit ein Modulationsverhältnis von 1: 7. Zudem ist in Fig. 3 die Kennlinie 25 der Verbrennungsregelung des Heizgerätes 1 gezeigt, die auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes 7 hinterlegt sein kann.
In Block 110 kann gemäß Schritt a) ein Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) 17 festgelegt werden. Das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) 17 kann abschnittsweise linear sein und einen ersten Abschnitt 18 sowie einen zweiten Abschnitt 19 umfassen. Der erste Abschnitt 18 kann durch einen ersten Punkt 20 und einen zweiten Punkt 21 festgelegt sein. Der erste Punkt 20 kann bei der minimalen Wärmeleistung Q_min 23 durch die Beziehung $λ_{G} (Q) = A - B \times \frac{Q}{Q_{\max}}$ bestimmt werden. Mit A=2,05 und B=1,5 ergibt sich für Q = Q_min = 5,25kW ein Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q_min)=1,825. Ein zweiter Punkt 21 kann für eine Wärmeleistung von 70% von Q_max =24,5 kW mit λ _G(0,7 x Q_max)=1 vorgegeben sein. Erster Punkt 20 und zweiter Punkt 21 legen somit den ersten Abschnitt 18 des Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) 17 fest. Der zweite Bereich 19 kann durch ein konstantes λ _G = 1 vorgegeben sein und sich von dem zweiten Punkt 21 bis zu dem dritten Punkt 22 bei der maximalen Wärmleistung Q_max 35 kW erstrecken.
In Block 120 kann gemäß dem Schritt b) die Kennlinie 25 der Verbrennungsregelung mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) 17 verglichen werden.
In Block 130 kann gemäß dem Schritt c) im Ergebnis des Vergleichs aus Schritt b) das Betreiben des Heizgeräts mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) als von der Verbrennungsregelung einzustellendes Verbrennungsluftverhältnis erfolgen, wenn für die aktuelle Wärmeleistung das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis kleiner als das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist. Wenn für die aktuelle Wärmeleistung das gemäß der Kennlinie vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis größer als das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist, wird das Heizgerät mit einem Verbrennungsluftverhältnis gemäß der Kennlinie 25 betrieben, wenn für die aktuelle Wärmeleistung das gemäß der Kennlinie 25 vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis größer als das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) ist. Wie in Fig. 3 zu erkennen, wird das Heizgerät 1 im vorliegenden Beispiel in einem Bereich von ca. 5,25 kW < Q < 17 kW mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) betrieben.
Mit der Durchführung des Schrittes c) (Block 130) kann sichergestellt werden, dass der Brenner 3 des Heizgeräts 1 nicht auf eine Temperatur, die größer als die Grenztemperatur von 450 °C ist, erhitzt wird, wodurch ein Auftreten von Rissen oder Brüchen des Brenners 3 insbesondere im Bereich der Brennzone 15 wirkungsvoll vermieden werden kann.

Bezugszeichenliste

1: Heizgerät
2: Fördereinrichtung
3: Brenner
4: Verbrennungsluftzuführung
5: Gasventil
6: Brennertür
7: Regel- und Steuergerät
8: Brennkammer
9: Abgasrohr
10: Abgasanlage
11: Gemischkanal
12: Flammenüberwachung
13: Gaszuführung
14: Brennerkörper
15: Brennzone
16: Computerprogrammprodukt
17: Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q)
18: erster Abschnitt
19: zweiter Abschnitt
20: erster Punkt
21: zweiter Punkt
22: dritter Punkt
23: minimale Wärmeleistung Q_min
24: maximale Wärmeleistung Q_max
25: Kennlinie
110: Block
120: Block
130: Block

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Heizgeräts (1), eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff, und aufweisend einen in einer Brennkammer (8) angeordneten Brenner (3), dem ein Verbrennungsgemisch aus dem Brenngas und Verbrennungsluft mit einem in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts (1) vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ zugeführt wird, welches durch eine Brennzone (15) des Brenners (3) in die Brennkammer (8) austritt und verbrennt, wobei das vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis λ als Kennlinie in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts (1) in einer Verbrennungsregelung des Heizgeräts (1) hinterlegt ist, und das Verfahren weiter zumindest die nachfolgenden Schritte umfasst:
a) Festlegen eines Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) (17) in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q des Heizgeräts (1),

b) Vergleichen des vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnisses λ gemäß der hinterlegten Kennlinie mit dem in Schritt a) festgelegten Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17), und

c) Betreiben des Heizgeräts (1) mit dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17), wenn für die aktuelle Wärmeleistung Q das vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis λ kleiner dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17) ist, und Betreiben des Heizgeräts (1) mit dem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ , wenn für die aktuelle Wärmeleistung Q das vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis λ größer dem Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in Schritt a) festgelegte Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17) eine abschnittsweise lineare Funktion in Abhängigkeit der Wärmeleistung Q ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Funktion des Grenzverbrennungsluftverhältnisses λ _G(Q) (17) einen ersten Abschnitt (18) umfasst, der durch einen durch einen ersten Punkt (20) und einen zweiten Punkt (21) begrenzt ist, und einen zweiten Abschnitt (19) umfasst, der durch den zweiten Punkt (21) und einen dritten Punkt (22) begrenzt ist, wobei am ersten Punkt (20) bei der der minimalen Wärmeleistung Q_min des Heizgeräts (1) das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) $(17) = A - B \times \frac{Qmin}{Q_{\max}}$ beträgt, wobei der Parameter A in einem Bereich 1,9<A<2,2 liegt und der Parameter B in einem Bereich 1,3<B<1,7 liegt, wobei weiter der zweite Punkt (21) bei einer ersten Wärmeleistung Q in einem Bereich von 50 % bis 90 % der maximalen Wärmeleistung Q_max (24) des Heizgeräts (1) liegt , und der dritte Punkt (22) bei der maximalen Wärmeleistung Q_max (24) liegt, und zudem das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17) am zweiten Punkt (21) und am dritten Punkt (22) konstant ist und in einem Bereich von 1< λ _G<1,2 liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) das Grenzverbrennungsluftverhältnis λ _G(Q) (17) derart festgelegt ist, dass eine Temperatur des Brenners (3) eine vorgegebene Grenztemperatur nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Grenztemperatur in einem Bereich von 400 °C bis 600 °C liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizgerät (1) in einem Schritt 0) von einem Betrieb mit einem fossilen Brenngas auf einen Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas umgerüstet wird.
Heizgerät (1), eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases mit einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 % und umfassend eine Fördereinrichtung (2), ein Gasventil (5), eine Brennkammer (8), einen in der Brennkammer (8) angeordneten Brenner (3) sowie ein Regel- und Steuergerät (7), welches dazu eingerichtet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis λ des Heizgeräts (1) einzustellen, und weiter umfassend Mittel, die so angepasst sind, dass das Heizgerät (1) ein Verfahren nach Anspruch 1 ausführt.
Heizgerät (1) nach Anspruch 7, wobei das Heizgerät (1) dazu eingerichtet ist, Wärme über einen Heizkreis zur Verfügung zu stellen und Trinkwasser bzw. Brauchwasser zu erwärmen.
Computerprogrammprodukt (16), umfassend Befehle, die ein Heizgerät (1) nach Anspruch 7 dazu veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 1 auszuführen.