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Hintergrund
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Ein Großteil des vom Menschen verursachten Schadstoffausstoßes ist auf Verbrennungsprozesse in Industrie- und Hausfeuerungen zurückzuführen, bei denen die Hauptschadstoffe wie Ruß, CO, NOx und unverbrannte Kohlenwasserstoffe CnHm aufgrund einer unvollständigen Verbrennung anfallen und die Umwelt stark belasten. Die im Automobil- und Kraftwerksbereich eingesetzte keramische O2-Sonde (λ-Sonde) zur Minderung der Schadstoffemissionen konnte bisher aus kosten- und technologischen Gründen bei Feuerungsanlagen kleiner und mittlerer Leistung nicht durchweg, so auch für flüssige und gasförmige Brennstoffe, durchgesetzt werden. Neben der Minderung des Schadstoffausstoßes und das Betreiben der Anlagen über einen großen Leistungsbereich gibt es mit der laufend fortschreitenden Technologieentwicklung immer mehr Anforderungen an die Feuerungsanlagen, um den sicheren Betrieb in jedem Betriebspunkt und zu jeder Zeit bei einem optimalen feuerungstechnischen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Für diesen emissionskontrollierten bzw. -optimierten, sowie wirtschaftlichen Betrieb ist es erforderlich, mit Hilfe von innovativen Verbrennungsregelungen die wechselnden Rahmenbedingungen und Anforderungen einzuhalten. Verschiedene Faktoren führen jedoch dazu, dass es nach einer bestimmten Betriebsdauer zur Veränderung des optimalen Verbrennungszustandes der Anlage kommt und somit selbst nach der Einstellung bei der Inbetriebnahme ein guter Wirkungsgrad nicht durchgehend gehalten werden kann. Die Gründe hierfür sind beispielsweise die unterschiedlichen thermodynamischen Zustände der Verbrennungsluft, die wechselnde Qualität des von verschiedenen Lieferanten bezogenen Brennstoffs, Verschleiß der heiztechnischen Module, Verschmutzung und Verstopfung der Düse bzw. des Zu-/Abluftkanals. Um einen dauerhaften Betrieb im suboptimalen Bereich zu vermeiden, muss eine zuverlässige Flammenüberwachung mit gleichzeitiger Überwachungsfunktion der Verbrennungsqualität eingesetzt werden, mit deren Hilfe abweichende Verbrennungszustände auch im diskontinuierlichen Betrieb rechtzeitig erfasst werden und daraus ein zuverlässiges Signal für eine dann ermöglichte Wartungsanzeige abgeleitet werden kann. Weiterführend ist es für die Optimierung des Luft-Brennstoff-Gemisches während des Betriebs erforderlich, die erfassten Signale mit einer Regelungsvorrichtung auszuwerten, um beispielsweise die Zufuhr der Verbrennungsluft über die Gebläsedrehzahl bzw. die Brennstoffzufuhr über die Brennstoffpumpe/-ventil auch modulierend regeln zu können.
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Stand der Technik
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Es sind verschiedene Verfahren zur Flammenüberwachung von Brennern unterschiedlicher Bauart und Funktionsweise bekannt, bei denen hauptsächlich das Vorhandensein einer Flamme sowohl bei Gas- als auch bei Ölflammen kontrolliert wird. Moderne Flammenüberwachungssysteme erlauben zudem die laufende Kontrolle der Verbrennungsqualität und eine gezielte Regelung des Verbrennungszustands nahe des optimalen Verbrennungspunktes bzw. einer stöchiometrischen Verbrennung mit größtmöglichem Wirkungsgrad bei minimalem Schadstoffausstoß. Die Möglichkeiten der Flammenqualitätsüberwachung erweisen sich über ein technisch weit ausgebreitetes Spektrum und bestehen zum großen Teil aus zusätzlichen Baugruppen, die eine komplexe Funktionsweise und damit verbunden hohe Investitionskosten mit sich bringen. Verschiedene Verfahren nach dem Funktionsprinzip der Ionisationsflammenüberwachung sind bereits bekannt und kommen sowohl bei Gas- als auch bei leuchtenden oder blaubrennenden Ölflammen zum Einsatz.
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Aussagen über das Flammenbild in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit in der Flamme und unter Berücksichtung verschiedener Faktoren sind bereits aus einigen Verfahren bekannt.
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Ein Verfahren nach diesem Prinzip ist seit dem Jahre 1939 aus dem Patent
US 540 046 bekannt und beschreibt die Kontrolle des Brennstoff-Luft-Gemisches eines Brenners anhand einer Widerstandsmessung in der Flamme über Elektroden. Dabei wird die Regelung der Luftzufuhr eines Heizkesselsystems in Abhängigkeit der Elektrodenspannung vorgenommen. Die starke Abhängigkeit der Kesseltemperatur auf den Ionisationsstromfluss wird bei diesem Verfahren nicht berücksichtigt, erlaubt somit keine reproduzierbare Werte in der betrieblichen Situation des diskontinuierlichen Prozesses bei den Heizsystemen und ermöglicht im betrieblichen Prozess somit keine verwertbare Aussagefähigkeit der qualitativen Messergebnisse des Flammenbildes. Weiterhin stellt der beschriebene Brenneraufbau eine aufwändige Anordnung der Komponenten dar, während die Regelung nach dem heutigen Stand der Technik wesentlich einfacher gestaltet werden kann.
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EP 1 293 727 B1 befasst sich ebenfalls mit der Verwendung einer Ionisationselektrode als Sensor, die zur Überwachung der Verbrennungsqualität dient und durch ein Ionisationssignal als Stellgröße die Luftzufuhr des Brenners regelt. Der Wartungsbedarf des Heizsystems wird infolge der angenommenen indirekt ermittelten Rußbildung, ohne den experimentalen Nachweis, dass diese Annahme auch richtig ist. Entscheidende Schwäche ist es aber bei dieser Patentschrift, dass auch sie den Einfluss der Kesseltemperatur auf die Ionisation unberücksichtigt lässt.
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Das Patent
EP 1 719 947 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flammeüberwachung mittels eines Kondensators, der während einer Ladungsphase mit einer Referenzspannung aufgeladen und während der Entladungsphase über einen mit dem Flammensensor verbundenes Koppelglied entladen wird. Die Auflade- bzw. Entladungszeit des Kondensators wird dabei aufgrund der Impedanz eines Flammensensors bestimmt und durch zyklische Wiederholung der Lade- und Entladungsprozesse anhand der entstehenden Spannungssignale mit Hilfe eines Schwellenwertes ausgewertet. Das beschriebene Verfahren kann mit verschiedenen Flammensensoren, u. a. auch mit Ionisationselektroden betrieben werden und benötigt keine Signalverstärkung, wobei allerdings vorzugsweise ein Photowiderstand eingesetzt wird. Die Auswertung des Spannungssignals ermöglicht die Feststellung von durch Bauteilfehler verursachte Kurzschlüsse des Flammensensors. Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, dass die Sensorimpedanz sich durch Fremdlichtquellen beeinflussen lässt und somit in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Der Einsatz eines Ionisationsflammensensors wird zur Überwachung von Gasflammen in Betracht gezogen. Durch die Flammenionisation findet eine Gleichrichtung des Ionisationsstromes statt, welcher zu einer Potentialverschiebung an dem Kondensator führt und in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom entladen wird. Es ist hierbei keine fortlaufende Überwachung der Flammenqualität gegeben. Darüber hinaus ist eine für betriebliche Anwendungen mit langer Lebensdauer der Heizsysteme aufwändige, technisch nicht beherrschbare Regelung erforderlich, da die Entladungszeit des Kondensators für die qualitative Aussage über die Flamme ausschlaggebend ist.
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Ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung sind aus der
EP 617 234 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen Ionisationsflammenwächter mit einem Kondensator, der mit einer Referenzspannungsquelle und über ein Koppelglied mit dem Sekundärkreis eines Zündfunkenüberträgers verbunden ist. Solange zwischen der Zündelektrode und der Masseleitung keine Flamme vorhanden ist, wird der Kondensator über einen Widerstand auf eine Betriebsspannung aufgeladen. Sobald infolge der Flammenbildung ein Ionisationsstrom fließt, wird der Kondensator entladen. Der Kondensator ist mit einer Überwachungsschaltung verbunden, welche bei Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes ein Ausgangssignal erzeugt, welches das Vorhandensein einer Flamme anzeigt. Es ist somit eine fortlaufende Flammeüberwachung, die kontinuierliche Qualitätsaussagen über die Flamme erlaubt, nicht gegeben.
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Die
EP 1 256 763 A2 offenbart ein Flammenüberwachungsverfahren, bei dem die von der Flamme erzeugte Strahlung von einem Photowiderstand erfasst und das Sensorsignal zweikanalig ausgewertet wird. Der erste Kanal dient zur Erfassung der mittleren Helligkeit und der zweite Kanal dient zur Erfassung von Wechselanteilen, die vom Flackern der Flamme herrühren. Die Flamme wird nur dann als ordnungsgemäß brennend anerkannt, wenn an beiden Kanalausgängen das Signal jeweils in einem vorgegebenen Bereich liegt. Der hierbei eingesetzte Photowiderstand kann zur Vorhandensein einer Flamme verwendet werden, nutzt allerdings ebenfalls nicht als Flammenqualitätsüberwachung eines Brenners, insbesondere bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen mit naturgemäß etwas unruhige Flamme.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine gezielte Aussage der Flammenqualität eines Heizkesselsystems während des gesamten Verbrennungsprozesses zu treffen. Als Qualitätswert dient dabei der gemessene Ionisationsstromfluss bzw. -spannung in der Flamme unter Berücksichtigung der Abhängigkeit von der jeweiligen Kesseltemperatur und die mit Hilfe des Verfahrens indirekt abgeleitete Abgaszusammensetzung. Weiterhin soll eine kompakte Baueinheit mit einem Regelungsmechanismus ausgestattet sein, die das Ionisieren der Flamme mit den herkömmlich eingesetzten Zündelektroden ermöglicht und neben einer Wartungsanzeige mit Hilfe geregelter Zufuhr von Verbrennungsluft und/bzw. Brennstoff den Verbrennungszustand in einen optimalen Bereich mit hohem Wirkungsgrad hält.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die beschriebene Erfindung befasst sich gemäß des Anspruchs 1 mit der fortlaufenden, qualitativen Überwachung eines brennstoffbetriebenen Heizsystems, insbesondere eines Brenners mit hocheffizienten Flamme wie z. B. blaubrennender Flamme, dessen Abgase durch den Wärmetauscher eines Kessels strömen und ihre Wärme an einen geschlossenen Heizkreislauf abgeben. Die fortlaufende Überwachung des Verbrennungszustandes eines Heizkesselsystems beruht auf dem Prinzip der Flammenüberwachung mittels eines Ionisationsflammenwächters und zielt darauf ab, eine qualitative Aussage über das Flammenbild während der Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches aus der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Widerstand der Flamme und der variierenden Temperatur des Wärmetauschers des Kessels zu treffen und somit neben der Optimierung des Gesamtsystems ein Wartungssignal auch zwischen den üblichen Wartungsintervallen zu ermöglichen. Die Voraussetzung für den Einsatz dieses Ionisationsverfahrens bei ölbetriebenen Brennern ist die Verwendung von Mischeinrichtungen, die eine nahezu vollständige Vergasung des Kraftstoffes bei dem Versprühen über das Düsensystem und dem Vermischen mit der umströmenden Verbrennungsluft bewirken, so dass beim Verbrennungsprozess ein möglichst hoher Wirkungsgrad durch eine weitestgehend erreichte stöchiometrische Verbrennung erzielt werden kann. Das Ergebnis einer vorzugsweise stöchiometrischen Verbrennung ist neben dem optimalen Wirkungsgrad die Befeuerung mit einer blaubrennenden Flamme, dessen Vorteile sich aus der hohen Verbrennungstemperatur ergeben und sich durch eine emissionsarme Verbrennung widerspiegeln. Aufgrund der rückstandslosen Verbrennung ist eine messtechnisch erfassbare und stabile elektrische Leitfähigkeit der Gasflamme gegeben, dessen Größe von der Gaszusammensetzung abhängig ist und somit ein physikalisch messbares Qualitätsmerkmal der Verbrennung darstellt. Dieser Effekt beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass Gasflammen den elektrischen Strom aufgrund ihres Wasserstoffgehaltes leiten und in einem geschlossenen Stromkreis als hochohmiger elektrischer Widerstand fungieren. Bevor jedoch ein messbarer Ionisationsstrom fließen kann, muss zunächst eine Wechselspannung zwischen der Ionisationselektrode und den leitfähigen Teilen des Gehäuses bzw. einer weiteren Gegenelektrode angelegt werden. Sobald die Luftstrecke beim Vorhandensein einer Gasflamme zwischen den Prüfelektroden mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, kommt es aufgrund einer chemischen Reaktion bei der Verbrennung zur Ionisation dieser Gasflamme, wodurch ein Stromfluss von der Masse bzw. der Gegenelektrode zur Ionisationselektrode ermöglicht wird. Eine weitere technisch nutzbare Eigenschaft von Gasflammen ist neben der elektrischen Leitfähigkeit die Fähigkeit den angelegten Wechselstrom gleichzurichten und somit ein klares und sicheres Signal für die Flammenüberwachung zu gewährleisten. Die kompakte Bauweise eines wartungsoptimierten Heizkesselsystems, vor allem bei kleinen und für Hausfeuerungen eingesetzte Anlagen, spielt neben den konstruktiven Gesichtspunkten eines Brennersystems wie der Komponentenvielfalt und der Anzahl von verschleißbehafteten Bauteilen eine übergeordnete Rolle und wird bei dieser Erfindung dadurch gelöst, dass die in der Verbrennungseinheit befindliche eine oder mehrere Zündelektroden einerseits für den Zündungsablauf und anderseits zur Ionisationsmessung genutzt wird bzw. werden können. Dies erfordert einen programmierbaren Feuerungsautomaten, dessen Programmablauf die notwendige Zündspannung zum Einleiten des Zündfunken während des Zündvorgangs regelt und anschließend den zeitlichen Funktionsablauf der Ionisationsmessung bestimmt, wobei die Zündelektrode bzw. -elektroden mit einer Prüfspannung für die Ionisationsflammenüberwachung beaufschlagt wird bzw. werden. Der Feuerungsautomat bzw. Zündfunkengeber wird mit der Netzspannung betrieben und transformiert die Spannung je nach zeitlichem Funktionsablauf auf eine konstante Zünd- bzw. Prüfspannung, während die Strommessung in der Anschlussleitung der Zündelektroden in Reihe geschaltet erfolgt. Wie bereits beschrieben, kann man über die Größe des Stromflusses eine Abhängigkeit zur Qualität der Verbrennung schaffen, indem man messtechnisch die Ionisationsstromstärke bei verschiedenen Abgaszusammensetzungen, gesteuert durch die Variation des Brennstoff-Luft-Gemisches über die Drehzahl des Brennergebläses, erfasst und eine Kennlinie aus den aufgenommen Werte herleitet (Ausführliche Beschreibung folgt im Kapitel experimentelle Durchführung). Dabei dient z. B. der CO2-Gehalt im Brennraum als zuverlässige Größe zur Beurteilung der Verbrennungsqualität und wird anhand der gemessenen Stromstärke während des laufenden Verbrennungsprozesses über die ermittelten Kennlinien geschätzt bzw. abgeleitet. Die Herleitung einer Abhängigkeit der Verbrennungsqualität zu anderen Bestandteilen der Abgaszusammensetzung wie beispielsweise NOx oder CO ist durch das beschrieben Verfahren ebenfalls möglich und beeinträchtigt die qualitative Aussage des Verbrennungszustandes aufgrund der zusammenhängenden chemischen Prozesse der Verbrennung und der daraus resultierenden Abgaszusammensetzung in keiner Weise. Ein für die Erfindung maßgebender Aspekt, der die Aussagefähigkeit der zu erfassenden Qualitätskennlinien stark beeinflusst, ist die zusätzliche Auswirkung der Kesseltemperatur auf die Ionisationsstromstärke, einerseits hervorgerufen durch den spezifischen elektrischen Widerstand der Kesselwand bzw. -masse, der sich in Abhängigkeit von der Heizsystem abverlangten Wärmeleistung ändert und einen nicht-konstanten Ionisationsstromfluss zur Folge hat. Anderseits zeigt sich zudem eine Abhängigkeit der Ionisationsstromstärke durch die thermische Flammenionisation eines Gases, wie in vergangenen experimentellen Versuchen bewiesen werden konnte und somit dieser Effekt dem Stand der Technik zugrunde gelegt wird. Die Ergebnisse der Ionenstrommessungen ergaben sowohl für CO2 als auch für N2 eine reproduzierbare Abhängigkeit der Zahl der zur Abscheidung gelangenden Ionen von der Temperatur. Eine für die messtechnische Auswertung ausschlaggebende Größe ist neben der angelegten Wechselspannung dabei der Gasdruck bei dem der Ionenstrom gemessen wird. Je höher der Gasdruck des zu ionisierenden Mediums ist, desto aussagekräftiger sind die Ergebnisse des Ionenstroms. Bei Normaldruck ist die relative Ionisierung der Gase proportional abhängig vom spezifischen Gewicht und kann somit mittels des Dichteverhältnisses für die jeweiligen Gase ermittelt werden. Die Ursache für die Änderung der Kesseltemperatur bei dem dargestellten wartungsoptimierten Heizungssystem ist, dass derartige Anlagen üblicherweise eine Veränderung des Durchflusses in den Vor- und Rücklaufleitungen des Heizkreises je nach dem gewünschten Heizbedarf erlauben, wodurch dem Kessel keine konstante Wärmemenge abverlangt wird. Eine konstante Kesseltemperatur herrscht nach einer bestimmten Betriebszeit des Heizsystems nur dann, wenn die Einstellwerte wie Brennerleistung, sowie Vor- und Rücklaufdurchfluss nicht verändert werden und das System dadurch seinen Beharrungszustand erreicht hat. Betrachtet man das gesamte System elektrotechnisch als geschlossenen Stromkreis, so kann man den Widerstand der Flamme mit dem spezifischen Widerstand der Kesselmasse unter Berücksichtigung der thermischen Flammenionisation in Reihe schalten und erhält somit zwei voneinander unabhängige, temperaturabhängige Widerstände, die den Ionisationsstromfluss beeinträchtigen. Eine Abhängigkeit des Stromflusses zeigt sich auch zur Lage der Ionisationselektrode in der Flammenzone, die für eine Reproduzierbarkeit der Messwerte bezogen auf unterschiedliche Brennertypen ausschlaggebend ist und somit die Anordnung der Elektroden in der Düsenstockhalteplatte in einen definierten Abstand für die Kalibrierung des Systems vorschreibt. Da die beaufschlagte Prüfspannung zwischen den beiden Zündelektroden angelegt wird, fließt ein Anteil des Ionisationsstromes direkt zur zweiten Zündelektrode, ohne die Kesselmasse zu durchfließen. Eine detaillierte Beschreibung des Messaufbaus mit der entsprechenden Strom- und Spannungsaufteilung wird anhand der experimentellen Durchführung im folgenden Kapitel ausführlich erläutert. Man kann also behaupten, dass eine qualitative Beschreibung des Verbrennungszustandes eine wesentliche Abhängigkeit zu verschiedenen Parametern aufweist, die es bei der Realisierung von einer Flammenqualitätsüberwachungseinrichtung zu berücksichtigen gilt. Wie aus der bisherigen Beschreibung der Erfindung ersichtlich wird, entstehen die Qualitätskennlinien der Verbrennung aus der gemessenen Ionisationsstromstärke im Zusammenhang mit der Abgaszusammensetzung bzw. dem CO2-Gehalt im Brennraum und weisen je nach Kesseltemperatur versetzte, allerdings nahezu gleiche kesselisothermen Kurvenverläufe auf (dargestellt im Diagramm (1)). Es muss somit bei der Messdatenauswertung eine von der Kesseltemperatur abhängige Korrektur stattfinden, die eine Regelung bzw. Anpassung des Heizsystems an die richtige Kennlinie der Flammenqualität bewirkt. Dieser Korrekturwert wird durch die Auswertung der Kennlinien und dessen Einteilung in festgelegte Temperaturbereiche des Kessels ermittelt und erlaubt somit eine gezielte Regelung der Anlage. Um den Verbrennungszustand durch konstant gehaltene, indirekt ermittelte Abgaswerte auch zwischen den üblichen Wartungsarbeiten des Heizsystems allzeit und laufend in einem optimalen Arbeitsbereich halten zu können, muss bei der fortlaufenden Messung des Ionisationsstromes zeitgleich eine Erfassung der Kesseltemperatur erfolgen, die eine zutreffende Bestimmung des CO2-Gehaltes in Abhängigkeit von der jeweils zutreffenden Kennlinie anhand der Wertekorrektur ermöglicht. Somit lassen sich zusammengefasst die Abgaswerte der Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemsiches erfindungsgemäß sowohl im kontinuierlichen, als auch im diskontinuierlichen Betrieb indirekt mittels der ermittelten kesselisothermen Strom- und/oder Spannungskennlinien einer ionisierten Flamme ermitteln. Gemäß einer vorteilhaften, weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das geschilderte Messdatenauswertungsverfahren mittels eines Regelungsmechanismus automatisiert werden und unter Verwendung einer IST-SOLL-Wertanalyse, sowie der Aufzeichnung der historischen Entwicklung von Parametern des jeweils geregelten, optimalen Arbeitspunktes derart umgesetzt werden, dass die Verbrennung vorzugsweise im stöchiometrischen Bereich gehalten wird, indem die Drehzahl des Brennergebläses als Stellgröße der Regeleinheit dient und somit das Luft-Brennstoff-Gemisch optimalerweise beeinflusst. Erfindungsgemäß lässt sich dieser optimale Arbeitsbereich durch getrennte Zufuhr der Verbrennungsluft über die Gebläsedrehzahl bzw. der Brennstoffzufuhr über die Brennstoffpumpe/-ventil mittels der konstruktiven Gestaltung des Brenners in Form einer DUO-Block-Arbeitsweise realisieren. Die erfassten und ausgewerteten Daten müssen dabei in einen definierten, optimalen Bereich liegen, in dem die Justierung der Luft- bzw. Brennstoffzufuhr sowohl technisch möglich sein muss, als auch eine emissionsarme Abgaszusammensetzung bewirken muss. Die Abgrenzung dieses Bereichs wird mit Hilfe eines Schwellenwertes bezüglich der zulässigen Emissionskante ermöglicht, so dass eine vom Regelungssystem durchführbare Korrektur selbsttätig innerhalb des festgelegten Emissionsbereichs stattfinden kann. Kommt es bei einer Abweichung des Sollwertes zur Unter- bzw. Überschreitung des unteren bzw. oberen Schwellenwertes, wodurch der IST-Wert nicht oder nicht mehr selbsttätig nachreguliert wird bzw. werden kann, so wird ein definiertes Signal für den Wartungs- und/oder Reparaturbedarf der Anlage ausgelöst. Wird ein zweiter und damit kritischer Schwellenwert bei der Verbrennung unter- bzw. überschritten, erkennt das System einen feuerungstechnisch ungeeigneten Verbrennungszustand mit möglicher Beschädigung der Brennerkomponenten oder möglicher Gefährdung der Gesundheit von Lebewesen in der Nähe des Brenners und stuft den Vorgang als sicherheitsrelevant ein, was eine Notausschaltung des Heizsystems zur Folge hat. Ein Bedarfshinweis für die Wartung bzw. Reparatur des Heizsystems nach der Feststellung der Verbrennungsqualität erfolgt durch eine optische und/oder akustische Anzeige, die direkt am Bedienfeld des Systems angeordnet ist. Die Aufzeichnung der Historie von Parametern über längere Zeiträume dient neben der Erkennung des Wartungs- bzw. Reparaturbedarfs auch zur Optimierung der Verbrennung bei verschiedenen Brennerleistungen und kann zugleich als Vergleichsdatenbasis für andere Brennertypen mit unterschiedlichen Mischeinrichtungen mit einer Flamme ähnlicher Qualität dienen.
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Experimentelle Durchführung
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Eine Abgrenzung der erfindungsgemäßen Flammenqualitätsüberwachung eines Heizsystems zum Stand der Technik, der einleitend anhand der bestehenden Verfahren und dessen Probleme erläutert wurde, kann mittels durchgeführter Messungen und anschließender Auswertungen bezüglich der Reproduzierbarkeit belegt werden.
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Die folgenden Versuche wurden mit einer zweistufigen Versuchsheizkesselanlage durchgeführt, die an einen Heizkreislauf angeschlossen ist und die Variation der Kesseltemperatur infolge der vorlaufseitigen Durchflussänderung des Heizkreises erlaubt. Als Zündfunkengeber wurde ein für die herkömmliche Flammenüberwachung eingesetztes Gerät verwendet. Am Zündtrafoausgang sind direkt die Zündelektroden über Stromleitungen angeschlossen, die mit einer hohen Zündspannung während des Zündvorgangs und anschließend mit einer verhältnismäßig kleineren Prüfspannung beaufschlagt werden. Der zeitliche Funktionsablauf wird von dem Feuerungsautomaten geregelt und beginnt mit der Brenneranforderung zunächst durch die Vorbelüftungsphase, in der auch der Zündvorgang aktiviert wird. Die Steuereinheit des Brennersystems bewirkt durch das Öffnen des Magnetventils die Brennstoffzufuhr, woraus die Flammenbildung aufgrund einer Sicherheitszeit innerhalb von 5 bis 10 Sekunden resultieren muss. Nach Abschluss der Zündphase beginnt die Ionisationsmessung mit dem Zündtransformator. Zur Messung der Prüfspannung während der Ionisationsmessung wurde ein Oszilloskop parallel zu einer der Elektrodenleitung und der Brennermasse angeschlossen. Die Strommessung erfolgte in der Phasenleitung der gegenüberliegenden Zündelektrode mit einem digitalen Multimeter. Sowohl das Oszilloskop als auch der Multimeter besaßen eine digitale Schnittstelle und konnten somit an einem Leitrechner mit entsprechendem Auswertungsprogramm betrieben werden. Wie bereits beschrieben ist der CO2-Gehalt in der Brennkammer das Maß für die Verbrennungsqualität und muss für eine zum Ionisationsstrom verhältnismäßige Betrachtung zusätzlich erfasst und dem jeweiligen gemessenen Strom- bzw. Spannungssignal zugewiesen werden, damit die kesselisothermen Kennlinien gebildet werden können. Die Erfassung des CO2-Wertes wurde mittels eines Abgasanalysegerätes realisiert, dessen Messsonde im Brennraum des Heizsystems angeordnet ist. Der Verbrennungszustand und somit die CO2-Konzentration der Abgase wurde über die Variation der Verbrennungsluftmenge stufenweise in regelmäßigen Abständen verändert. Es wurden jeweils mehrere Messreihen von Spannungs- und Stromgrößen bei unterschiedlichen Kesseltemperaturen durchgeführt, wodurch sich die im Diagramm (1) dargestellten Kurvenverläufe bzw. Kennlinien der Stromstärke abbilden lassen. Die Messwerte des Oszilloskops werden über die Auswertungssoftware erfasst und aufgezeichnet, wobei eine Vielzahl von einzelnen Messpunkten die sinusförmige Wechselspannung über einen im Oszilloskop festegelegten Zeitfenster beschreiben. Dabei wurden bei normaler Abtastung alle im Datenmodus erfassten Signale unter Reduzierung des Signalrauschens dargestellt und der arithmetische Mittelwert der Amplitude über die gesamte Signalaufzeichnung berechnet. Parallel dazu wurden die Mittelwerte der kesseltemperaturabhängigen Strommessungen in Abhängigkeit des CO2-Wertes aufgetragen. Das Ergebnis der Messauswertungen lieferte die strom- und spannungsabhängigen Kennlinien (1 und 2) bei verschiedenen Temperaturbereichen, aus denen ferner der Korrekturwert für eine mögliche Regelung hergeleitet werden kann. Zur Vereinfachung und besseren Bestimmung des Korrekturwertes für die Regelung sind die Mittelwerte der Messpunkte polynomisch als Kurvenverlauf dargestellt. Die Abhängigkeiten zeigen sich sowohl bei den Spannungsverläufen, als auch bei den Stromverläufen, wobei vorzugsweise die Stromkennlinien aufgrund des aussagefähigeren Kurvenverlaufes für eine Regelungseinrichtung in Betracht gezogen werden. Wie aus dem Diagramm (1) zu erkennen ist, kann man aus den parabelförmigen Kurvenverläufen der Stromkennlinien jeweils zwei unterschiedlichen CO2-Werten die gleiche Stromstärke zuweisen. Da allerdings die meisten Brennertypen mit blaubrennender Flamme erst ab einen CO2-Wert von etwa 12 Prozent in Betrieb genommen werden dürfen, kann für die entsprechende Regelung der Regelbereich derart eingegrenzt werden, dass nur noch ein abfallender Kurvenverlauf von 12 bis zum stöchiometrischen Punkt von ca. 15 Prozent vorliegt. Darüber hinaus kann in der möglichen kontinuierlichen Regelung bis auf abrupten Schadensfällen von einer kontinuierlichen Veränderung der Abgaswerte entlang der Kurve ausgegangen werden, weswegen z. B. die mathematisch Ableitung der Kurve bei der Regelung eingesetzt werden kann.
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Bestehende Behauptungen bzw. Annahmen aus bekannten Verfahren und Literaturstellen zur Flammenüberwachung mittels Ionisationsdetektoren bezüglich der Verfälschung von Messwerten aufgrund oxidationsbedingter Ablagerungen auf den Ionisationselektroden und der Elektrodenkeramik konnten bei der experimentellen Erprobung des beschriebenen Verfahrens widerlegt werden. Die grundlegende Ursache für Messwertverfälschungen ist wie bereits beschrieben die starke Temperaturabhängigkeit der Ionisation. Versuche mit Elektroden unterschiedlicher Beschaffenheit wurden durchgeführt, um die Einflussnahme der Reinheitsqualität von Elektroden auf die ermittelten Messwerte zu überprüfen. Dabei konnte festgestellt werden, dass mit Ablagerungen überzogene noch funktionsfähige Elektroden keine ausschlaggebenden Abweichungen der Messdaten im Gegensatz zu neuen (frischen) Elektroden verursachen. Somit kann während des Betriebes nach einem Austausch der Elektroden im Rahmen einer Wartung und nachdem sich dann die Elektroden durch den Verbrennungsbetrieb kontinuierlich betrieblich bedingt normal verschmutzt haben, davon unbenommen weiterhin valide Aussagen über die CO2-Werte gemacht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 540046 [0004]
- EP 1293727 B1 [0005]
- EP 1719947 A1 [0006]
- EP 617234 A1 [0007]
- EP 1256763 A2 [0008]