EP4705686A2

EP4705686A2 - Verfahren zum starten eines gasbrenners

Info

Publication number: EP4705686A2
Application number: EP24728121.5A
Authority: EP
Inventors: Eugen Gleim; Sven Stutzmann; Alexander Fabrizius; Julian Grün; Lars Paesler
Original assignee: Viessmann Holding International GmbH
Current assignee: Viessmann Holding International GmbH
Priority date: 2023-05-02
Filing date: 2024-04-16
Publication date: 2026-03-11
Also published as: DE102023111213A1; WO2024227477A3; CN121079549A; WO2024227477A2

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Starten eines Gasbrenners, bei dem dem Gasbrenner einerseits Luft und andererseits ab einem ersten Zeitpunkt auch ein Brenngas zugeführt wird, bei dem spätestens ab dem ersten Zeitpunkt ein aus der Luft und dem Brenngas gebildetes Brenngasgemisch in einem Brennraum für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall (z) Zündfunken ausgesetzt wird, und bei dem eine Zufuhr des Brenngases bei fehlender Flamme nach Ablauf eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls (y), das größer als das erste Zeitintervall (z) ist, abgebrochen wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zufuhr an Brenngases zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeit int ervalls (y) bis zur Erkennung einer Flamme mindestens von einer ersten tatsächlichen Zufuhrmenge auf eine zweite tatsächliche Zufuhrmenge gesteigert wird.

Description

Verfahren zum Starten eines Gasbrenners

Die Erfindung betrif ft ein Verfahren zum Starten eines Gas - 5 brenners gemäß dem Oberbegrif f des Patentanspruchs 1 .

Ein Verfahren zum Starten eines Gasbrenners der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument EP 4 015 904 Al bekannt . Bei diesem Verfahren wird dem Gasbrenner einerseits Luft und ande- 10 rerseits ab einem ersten Zeitpunkt auch ein Brenngas zugeführt . Ferner wird spätestens ab dem ersten Zeitpunkt ein aus der Luft und dem Brenngas gebildetes Brenngasgemisch in einem Brennraum für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall Zündfunken ausgesetzt . Außerdem wird eine Zufuhr des Brenngases bei 15 fehlender Flamme nach Ablauf eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls , das größer als das erste Zeitintervall ist , abgebrochen . Bei dieser Lösung ist ein die Zufuhr an Brenngas bestimmendes Brenngasventil wahlweise geöf fnet oder geschlossen .

Der Vollständigkeit halber wird dabei noch darauf hingewiesen , 20 dass sowohl beim vorgenannten Stand der Technik als auch bei der nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Lösung das zweite Zeitintervall , genau wie das erste Zeitintervall , mit dem genannten ersten Zeitpunkt startet .

25

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern . Insbesondere soll ein noch sicherer arbeitendes Verfahren zum Starten eines Gasbrenners geschaf fen werden , insbesondere eines Gasbrenners , bei dem das Brenngas mindestens teilweise aus Wasserstof f besteht . 30 Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Starten eines Gas brenners mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst .

Nach der Erfindung ist also vorgesehen , dass die Zufuhr an 5 Brenngas zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls bis zur Erkennung einer Flamme mindestens von einer ersten tatsächlichen Zufuhrmenge auf eine zweite tatsächliche Zufuhrmenge gesteigert wird .

10

Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit dadurch aus , dass die Zufuhr an Brenngas zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls nicht mehr , wie beim vorgenannten Stand der Technik, nur noch einfach eingeschaltet wird, mithin nur eine ( einzige ) tatsächliche Zu- 15 f uhrmenge vorliegt , denn keine Zufuhr ist keine Zufuhrmenge , sondern , dass die Menge an zugeführtem Brenngas in mindestens zwei Schritten gesteigert wird, bis eine Flamme erkannt wird . Dies bringt dabei , insbesondere , wenn die Steigerung , wie bevorzugt , stetig erfolgt , den erheblichen Vorteil mit sich , 20 dass die Flamme praktisch nur mit der minimal erforderlichen Menge an Brenngas gezündet wird und ein möglicher Druckanstieg in der Brennkammer bzw. im Brennraum aufgrund einer schlagartigen Entzündung bei der Zündung auf ein Minimum reduziert werden kann . 25

Die Maßgabe " in mindestens zwei Schritten" stellt dabei gewis sermaßen sprachlich eine untere Grenze zum vorgenannten Stand der Technik dar , wobei , wie bereits ausgeführt , besonders bevorzugt eine sukzessive , gegebenenfalls auch mehrstufige Stei- 30 gerung der Zufuhr an Brenngas während des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls vorgesehen ist . Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens , auf die weiter unten noch genauer eingegangen wird, besteht ferner darin , dass zur Verhinderung einer ungewollten Spätzündung mindestens während des ersten Zeitinter- 5 valls ein Sauerstof f gehalt im Brennraum mit einer Messeinrichtung erfasst 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 und anhand dreier Diagramme 15 näher erläutert .

Es zeigt

Figur 1 schematisch einen Gasbrenner ; 20

Figur 2 als Diagramm mit drei unterschiedlichen Startphasen ;

Figur 3 als Diagramm der von der Messeinrichtung angezeigte Sauerstof f gehalt im Brennraum bei einer ordnungsgemäßen Zündung ; und 25

Figur 4 als Diagramm der von der Messeinrichtung angezeigte Sauerstof f gehalt im Brennraum bei drohender Spätzündung .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines Gasbren- 30 ners wird zunächst in bekannter Weise dem Gasbrenner einerseits Luft und andererseits ab einem ersten Zeitpunkt auch ein Brenngas zugeführt . Ferner wird spätestens ab dem ersten Zeitpunkt ein aus der Luft und dem Brenngas gebildetes Brenngasgemisch in einem Brennraum für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall z Zündfunken ausgesetzt . Außerdem wird eine Zufuhr des Brenngases bei fehlender Flamme nach Ablauf eines zweiten vor- 5 bestimmten Zeitintervalls y , das größer als das erste Zeitintervall z ist , abgebrochen .

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Erkennung einer Flamme mit einem Flammensensor durchgeführt wird . Als Flammensen- 10 sor 3 wird dabei besonders bevorzugt ein optischer Sensor ( zum Beispiel eine UV-Sonde ) oder ein elektrischer Sensor ( zum Beispiel eine lonisationselektrode ) verwendet .

Weiterhin ist in an sich bekannter Weise bevorzugt vorgesehen , 15 dass die Zündfunken mit einer Zündelektrode 4 erzeugt werden . Außerdem wird die Zufuhr an Brenngas zur Luft vorzugsweise mit einem regelbaren Ventil bzw. einem Regelventil 1 geregelt .

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun , und 20 hierzu wird insbesondere auf Figur 2 verwiesen , dass die Zufuhr an Brenngas zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls y bis zur Erkennung einer Flamme mindestens von einer ersten tatsächlichen Zufuhrmenge auf eine zweite tatsächliche Zufuhrmenge gesteigert wird . In Figur 2 zeigt dabei 25 die obere Kurve die Zündung , die entweder an oder aus ist ( auf getragen über der Zeit ) ; die untere Kurve zeigt , ebenfalls auf getragen über der Zeit , den Öf fnungsgrad des Regelventils 1 , wobei die unterste Position einem geschlossenen Regelventil

1 entspricht . 30 Besonders bevorzugt ist bei alledem, wie auch eingangs schon erwähnt , vorgesehen , dass die Zufuhr an Brenngas zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls y bis zur Erkennung einer Flamme stetig gesteigert wird . Wie in Wikipedia ( siehe https : / /de .wikipedia . org/w/index . php?title=Stetige_ 5 Funktion&oldid=232205358 ) ausgeführt , ist dabei mit der verwendeten Maßgabe " stetig" letztlich ein Funktion gemeint , die anschaulich gesprochen dadurch gekennzeichnet ist , dass ihr Graph in einem kartesischen Koordinatensystem innerhalb ihres Definitionsbereiches eine zusammenhängende Kurve ist , der 10 Graph also keine Sprünge macht und man ihn ohne Absetzen des Stiftes zeichnen kann .

Beim linken , also ersten Beispiel in Figur 2 wird dabei keine Flamme erkannt , d . h . am Ende des zweiten Zeitintervalls y 15 wird das Regelventil 1 geschlossen . Beim mittleren Beispiel in Figur 2 wird erst nach Ablauf des ersten Zeitintervalls z , aber noch innerhalb des zweiten Zeitintervalls y eine Flamme erkannt und ab diesem Zeitpunkt die tatsächliche Zufuhrmenge an Brenngas nicht mehr erhöht bzw. konstant gehalten . Beim 20 rechten , also letzten Beispiel in Figur 2 wird bereits innerhalb des ersten Zeitintervalls z eine Flamme erkannt und ab diesem Zeitpunkt die tatsächliche Zufuhrmenge an Brenngas nicht mehr erhöht bzw. konstant gehalten . Wie ersichtlich , wird der Brenner im rechten Beispiel nach der Flammenerkennung 25 mit einer geringeren Brenngasmenge als im mittleren Beispiel betrieben .

Bei alledem ist noch etwas genauer betrachtet , bevorzugt vorgesehen , dass das erste Zeitintervall z , auch Zündzeit ge- 30 nannt , nach maximal 4 Sekunden , vorzugsweise nach maximal 2 , 5 Sekunden , besonders bevorzugt nach maximal 1 , 5 Sekunden , been- det wird. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Zeitintervall y, auch Sicherheitszeit zur Flammenerkennung genannt, nach maximal 10 Sekunden, vorzugsweise nach maximal 7,5 Sekunden, besonders bevorzugt nach maximal 5 Sekunden, beendet wird. Wie eingangs schon einmal erwähnt, gilt außerdem, wie 5 auch dargestellt, dass das erste und zweite Zeitintervall y, z gleichzeitig beginnen.

Weiterhin ist, wie ebenfalls eingangs bereits erwähnt, besonders bevorzugt vorgesehen, dass als Brenngas ein mindestens 10 70-Vol% Wasserstoff, vorzugsweise mindestens 90-Vol% Wasserstoff, enthaltendes Gasgemisch verwendet wird.

Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, dass mindestens während des ersten Zeitin- 15 tervalls z (vorzugsweise während des gesamten Zeitintervalls y, also während der gesamten Sicherheitszeit) ein Sauerstoff- gehalt im Brennraum mit einer Messeinrichtung 5 erfasst wird, um eine ungewollte Spätzündung des Brenngasgemisches zu verhindern. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass als Messeinrich- 20 tung eine Sauerstoff sonde , vorzugsweise eine (sogenannte) Breitbandlambdasonde (siehe hierzu https://de.wikipedia.org/ w/index . php?title=Lambdasonde&oldid= 228167358 und dort insbesondere "Breitbandlambdasonde"), verwendet wird. Die Breitbandlambdasonde weist dabei vorzugsweise einen Sondenkopf mit 25 Zellmembranen aus Zirkoniumdioxid auf.

Noch etwas genauer betrachtet (siehe hierzu Figur 3 und 4), ist hierzu bevorzugt vorgesehen, dass mindestens im ersten Zeitintervall z (vorzugsweise während des gesamten Zeitinter- 30 valls y, also während der gesamten Sicherheitszeit) ein Verlauf des Sauerstoff gehalts im Brennraum nach Extremwerten durchsucht wird, denn ein solcher (mathematischer ) Extremwert ( siehe auch https : / /de .wikipedia . org/w/index . php?title=Extrem- wert&oldid=230203628 ) ist ein Hinweis darauf , dass der Sauerstof fgehalt im Brennraum ab diesem Moment zum Beispiel nicht mehr zunimmt , sondern abnimmt , oder umgekehrt . Dieser Ef fekt 5 ist dabei auf eine besondere Querempfindlichkeit der Breitbandlambdasonde mit unverbranntem Wasserstof f zurück zu führen , die letztlich auf einem Verbrauch des Oxidators aufgrund einer lokal heterogen katalysierten Wasserstof f reaktion beruht . 10

Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen , dass beim Vorliegen von ( solchen ) Extremwerten wahlweise ein Betrag eines Dif ferenzwertes und/oder einer Steigung des Sauerstof f gehalts zwischen einem ersten und einem zweiten Extremwert ermittelt 15 wird . Dieser Betrag gibt dabei einen Hinweis auf die Stärke der vorbeschriebenen Änderung des Sauerstof f gehalts .

Für die Zwecke der Erkennung einer ungewollten Spätzündung ist dabei ferner besonders bevorzugt vorgesehen , dass als erster 20 Extremwert ein lokales Minimum und als zweiter Extremwert ein lokales Maximum des Sauerstof f gehaltes betrachtet wird, denn es ist für eine Spätzündung , wie entsprechende Laborversuche gezeigt haben , bei der Verbrennung von Wasserstof f charakteristisch , dass der Sauerstof f gehalt gemäß Messeinrichtung bis 25 zum ersten Extremwert sinkt , danach aber bis zu einem zweiten Extremwert ansteigt und dann wieder abfällt .

Da der besagte Ef fekt bzw. die an sich unerwünschte Spätzündung dabei allerdings innerhalb eines gewissen Bereichs durch- 30 aus tolerabel ist , ist ferner bevorzugt vorgesehen , dass ein Signal ( nur dann ) erzeugt wird, wenn der Betrag wahlweise des Dif ferenzwertes und/oder der Steigung größer als ein vordefinierter Grenzwert ist .

Zur konsequenten Umsetzung einer gewonnenen Information ist schließlich noch bevorzugt vorgesehen , dass das Signal verwen- 5 det wird, um ein auf die Brenngaszufuhr wirkendes Sicherheits ventil 2 zu schließen und den Gasbrenner zu verriegeln , und zwar noch bevor es zu der ungewollten , weil gefährlichen Spätzündung kommt .

10 Nochmals aus einer etwas anderen Perspektive betrachtet , sind die folgenden physikalischen Randbedingungen bei der Verbrennung von Wasserstof f zu beachten :

Der zeitliche Druckanstieg ( sogenannter KG-Wert ) ist bei 15 Brenngas-Luftgemischen mit 100% Wasserstof f gegenüber Methan bzw. Erdgas mindestens 10 mal größer , sofern die gleichen Verbrennungsluftzahlen zugrunde gelegt werden . Mit zunehmendem Wasserstof f gehalt steigen sowohl die Zündgrenzen als auch die Brenngeschwindigkeit , wobei die Zündverzugszeit sinkt , so dass 20 eine magere Zündung mit einem niedrigen zeitlichen Druckanstieg in der Brennkammer angestrebt wird . Die magere Zündung steht j edoch im Zielkonflikt mit der Flammenerkennung , da diese erst in der Nahstöchiometrie ( Luftzahl kleiner 2 [ leistungsabhängig ] ) bei ausreichender Intensität der Flamme sicherge- 25 stellt ist . Unter Berücksichtigung verschiedener Fehlerszenarien können bei der Verbrennung von Wasserstof f nur geringe Zündzeiten zugelassen werden . Beispielsweise führt eine verspätete Zündung zu einem hohen zeitlichen Druckanstieg in der Brennkammer mit den entsprechenden Auswirkungen ( Zerstörung ! ) 30 auf das Kaminsystem und den Schallemissionen in der Umgebung des Gerätes . Aus diesem Grund wird der Startvorgang beim Einsatz von Was serstof f erfindungsgemäß angepasst , so dass die direkte Zündung in der Sicherheitszeit nur zeitlich limitiert aktiv ist . In der ersten Phase der Sicherheitszeit mit aktivierter Zün- 5 dung findet in allen Toleranzlagen die physikalische Initialisierung bzw. Zündung der Flamme im Brennraum statt . Dies wird durch das Verfahren des Regelventils ( Gasrampe gemäß Kennlinie ) sichergestellt . In der zweiten Phase der Sicherheitszeit wird die Gasrampe gemäß Kennlinie ohne Zündung fortgeführt . 10 Die Gasrampe stoppt spätestens am Ende der Sicherheitszeit oder durch die Flammenerkennung . Sollte nach erstmaliger Flammenerkennung oder nach Ablauf der Sicherheitszeit das Flammensignal verschwinden , wird eine Störabschaltung mit Schließung des Sicherheitsventils 2 eingeleitet . 15

Bezugszeichenliste z erstes Zeitintervall y zweites Zeitintervall

1 Regelventil

2 Sicherheitsventil

3 Flarmensensor

4 Zündelektrode

5 Messeinrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Starten eines Gasbrenners, bei dem dem Gasbrenner einerseits Luft und andererseits ab einem ersten Zeitpunkt auch ein Brenngas zugeführt wird, bei dem spätestens ab dem ersten Zeitpunkt ein aus der Luft und dem Brenngas gebildetes Brenngasgemisch in einem Brennraum für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall (z) Zündfunken ausgesetzt wird, und bei dem eine Zufuhr des Brenngases bei fehlender Flamme nach Ablauf eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls (y), das größer als das erste Zeitintervall (z) ist, abgebrochen wird, dadurch gekenn z e ichnet , dass die Zufuhr an Brenngas zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls (y) bis zur Erkennung einer Flamme mindestens von einer ersten tatsächlichen Zufuhrmenge auf eine zweite tatsächliche Zufuhrmenge gesteigert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn z e ichnet , dass die Zufuhr an Brenngas zur Luft innerhalb des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls (y) bis zur Erkennung einer Flamme stetig gesteigert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn z e ichnet , dass als Brenngas ein mindestens 70-Vol% Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn z e ichnet , dass mindestens während des ersten Zeitintervalls (z) ein Sauerstoff gehalt im Brennraum mit einer Messeinrichtung erfasst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn z e ichnet , dass als Messeinrichtung eine Sauerstoff sonde , vorzugsweise eine Breitbandlambdasonde, verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn z e ichnet , dass mindestens im ersten Zeitintervall (z) ein Verlauf des Sauerstoff gehalts im Brennraum nach Extremwerten durchsucht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn z e ichnet , dass beim Vorliegen von Extremwerten wahlweise ein Betrag eines Differenzwertes und/oder einer Steigung des Sauerstoffgehalts zwischen einem ersten und einem zweiten Extremwert ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn z e ichnet , dass als erster Extremwert ein lokales Minimum und als zweiter Extremwert ein lokales Maximum des Sauerstoff gehaltes betrachtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn z e ichnet , dass ein Signal erzeugt wird, wenn der Betrag wahlweise des Differenzwertes und/oder der Steigung größer als ein vordefinierter Grenzwert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn z e ichnet , dass das Signal verwendet wird, um ein auf die Brenngaszufuhr wirkendes Sicherheitsventil zu schließen und den Gasbrenner zu verriegeln.