DE102021106987A1 - Verfahren und Anordnung zur Beeinflussung eines Volumenstromes durch einen Strömungsweg für Brenngas zu einem Heizgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beeinflussung eines Volumenstromes (11, 12) durch einen Strömungsweg (6) für Brenngas zu einem Heizgerät, wobei der Strömungsweg (6) ein pneumatisches Brenngasventil (1) aufweist und wobei innerhalb oder außerhalb des Brenngasventils (1) ein zusätzliches elektro-mechanisches Stellglied (3) den Strömungsweg (6) beeinflusst und dessen freien Querschnitt (Q) verengt und/oder begrenzt. Insbesondere wird das Verfahren beim Zünden eines Gemisches aus Luft und Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas angewandt, indem der Volumenstrom (11, 12) beim Starten des Heizgerätes zumindest bis zur Zündung des Gemisches reduziert wird. Die Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Einrichtung den Volumenstrom (11, 12) an Brenngas durch ein pneumatisches Brenngasventil (1) für den Startvorgang eines Heizgerätes gezielt zu verringern, um den Zündvorgang sicherer und leichter steuerbar zu machen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beeinflussung eines Volumenstromes durch ein Brenngasventil eines Heizgerätes, das insbesondere mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. 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.
• Seit vielen Jahren werden bei mit Luft und Brenngas betriebenen Heizgeräten pneumatische Gasarmaturen eingesetzt, wie sie z. B. in der DE 38 41 86 A1 beschrieben sind. Solche Gasarmaturen liegen in einem Strömungsweg für das jeweilige Brenngas und geben diesen je nach Bedarf an Brenngas frei. Das Mischungsverhältnis von Brenngas zu Verbrennungsluft wird bei pneumatischen Gasarmaturen mechanisch vorgegeben, indem beispielsweise über Federn Steuermembrane vorgespannt werden. Eine Steuermembran hat aufgrund der physikalisch-technischen Materialeigenschaften in einem solchen System einen relativ engen Arbeitsbereich, d.h. ein möglicher minimaler Volumenstrom kann einen Grenzwert nicht unterschreiten, weil ansonsten bei entsprechend kleiner werdenden Steuerdrücken diese Membran die anliegenden Drücke nicht mehr reproduzierbar ausregeln kann. Bei Arbeitspunkten mit höheren Volumenströmen haben sich diese Gasarmaturen allerdings bewährt, so dass auch heute noch häufig diese robuste mechanische Lösung elektronisch geregelten Armaturen, bei denen verbrennungsrelevante Sensorik notwendig ist, vorgezogen wird. Auf die genaue Bauart kommt es im vorliegenden Fall nicht an, solange eine solche Gasarmatur einen Ventilkörper im Strömungsweg aufweist.
• Der Zündvorgang ist bei Heizgeräten ein besonders kritischer Vorgang und wird bei Geräten mit pneumatischen Gasarmaturen im Allgemeinen bei Belastungen von 50 - 80 % [Prozent] einer Nennlast, für die das Heizgerät ausgelegt ist, durchgeführt. Beim Zünden speziell von Wasserstoff-Luft-Gemischen oder Gemischen aus wasserstoffhaltigen Brenngasen und Luft ist es für eine sichere Zündung häufig sinnvoll, das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft definiert abzumagern, d.h. die Brennstoffmenge zu reduzieren. Reiner Wasserstoff oder Beimischungen von Wasserstoff, beispielsweise in einer Größenordnung von 10 bis 30 %, in einem Brenngas bewirken eine sehr leichte Entzündbarkeit eines Gemisches mit Luft. Erfolgt eine auch nur geringfügig verspätete Zündung nach Zuführen des Gemisches in einen Verbrennungsraum, so kann es zu heftigen Verpuffungen (sogenannten harten Zündungen) kommen, was unerwünscht ist. Je magerer jedoch das Gemisch beim Zünden gemacht wird, desto weniger heftig fallen die Zündungen aus. Auch das Risiko eines Rückschlages von Flammen in einen Brennerkörper wird geringer. Es können noch Gemische aus Luft und Wasserstoff mit einer Luftzahl Lambda (Verhältnis von Luft zu Brenngas gegenüber einem stöchiometrischen Verhältnis) von z. B. 3 bis 10 gezündet werden, so dass ein breiter Spielraum zum Abmagern besteht. Nach erfolgreicher Zündung heizen sich für eine stabile Verbrennung relevante Bauteile aufgrund des Vorhandenseins einer Flamme auf, so dass dann ein geringeres Luft-Brenngas-Verhältnis eingestellt werden kann, welches meist deutlich niedriger als beim Zündvorgang liegt. Eine Veränderung z. B. von Lambda = 3 bis 10 während der Zündung auf Lambda = 1,2 bis 2 im Normalbetrieb ist mit einer Anpassung des sogenannten Offsets (Einstellung der Vorspannung einer Steuermembran z. B. mit einem Schrittmotor) einer pneumatischen Gasarmatur allein nicht möglich, weil sich dieser in erster Linie bei kleinen in der Gasarmatur wirkenden Steuerdrücken auswirkt, d.h. bei Teillast des Heizgerätes. Der Zündvorgang bei Geräten mit pneumatischen Gasarmaturen findet aber wie oben erwähnt bei relativ hoher Belastung (50 - 80 % der Nennlast) statt. Da bei einer pneumatischen Gasarmatur das Mischungsverhältnis von Brennstoff zu Luft mechanisch vorgegeben wird, ist es nicht ohne weiteres möglich, einen zeitlich begrenzten großen Einfluss auf die Mischungsverhältnisse während des Zündvorgangs zu nehmen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen, und insbesondere die Schaffung eines Verfahrens und einer Anordnung zur Beeinflussung eines Volumenstromes durch einen Strömungsweg in einem pneumatischen Brenngasventil eines Heizgerätes, wobei die Anordnung einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Heizgerätes sein soll.
• Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
• Hierzu trägt ein Verfahren zur Beeinflussung eines Volumenstromes durch einen Strömungsweg für Brenngas zu einem Heizgerät bei, wobei der Strömungsweg ein pneumatisches Brenngasventil aufweist und wobei innerhalb oder außerhalb des Brenngasventils ein zusätzliches elektro-mechanisches Stellglied den Strömungsweg beeinflusst und dessen freien Querschnitt verengt und/oder begrenzt. Das Stellglied ist insbesondere so konzipiert, dass es in einer Ruhestellung den Strömungsweg und das Brenngasventil (praktisch) nicht beeinflusst, während es, wenn es elektrisch angesteuert wird, einen Querschnitt des Strömungsweges (signifikant) verengt und/oder begrenzt. Wird es betätigt, so führt es zu einem deutlich magereren Gemisch, bis es wieder deaktiviert wird.
• Bevorzugt wird das Verfahren beim Zünden eines Gemisches aus Luft und Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas angewandt, indem der Volumenstrom beim Starten des Heizgerätes zumindest bis zur Zündung des Gemisches reduziert wird. Auf diese Weise ist eine Zündung weniger heftig (hinsichtlich der Ausbildung von Druckstößen, Geräuschen etc.) und selbst bei etwas verzögerter Zündung entstehen keine Schäden durch eine eventuelle Verpuffung.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wirkt das zusätzliche Stellglied direkt oder indirekt auf einen Ventilkörper des Brenngasventils und begrenzt dessen Öffnung oder verringert diese. Im einfachsten Fall kann das Stellglied ein Stößel sein, der auf den Ventilkörper drückt und dessen Bewegung (und Öffnung) begrenzt oder der Bewegung entgegenwirkt. Der Stößel kann, aber muss nicht mit dem Ventilkörper fest verbunden sein.
• Alternativ ist das zusätzliche Stellglied außerhalb des Brenngasventils angeordnet, so dass es einen Querschnitt des Strömungsweges stromaufwärts oder stromabwärts des Brenngasventils begrenzt oder verringert. Die Wirkung ist analog, nur ist keine Veränderung an dem Brenngasventil erforderlich.
• Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung zur Beeinflussung eines Volumenstromes durch einen Strömungsweg für Brenngas zu einem Heizgerät bei, wobei der Strömungsweg ein pneumatisches Brenngasventil aufweist und wobei innerhalb oder außerhalb des Brenngasventils ein zusätzliches elektro-mechanisches Stellglied vorhanden ist, welches einen Querschnitt des Strömungsweges verengen und/oder begrenzen kann.
• Bevorzugt wirkt das Stellglied direkt oder indirekt auf einen Ventilkörper des Brenngasventils im Strömungsweg.
• Alternativ wirkt das Stellglied auf einen freien Querschnitt des Strömungsweges stromaufwärts oder stromabwärts des Brenngasventils.
• Insbesondere kann das Stellglied mindestens zwei Positionen einnehmen, eine ohne Verengung des Querschnittes und eine mit Verengung des Querschnittes. Dies ist die einfachste und am leichtesten zu steuernde Variante, jedoch ist es auch möglich, nicht nur eine solche Schaltfunktion zu verwirklichen, sondern auch Zwischenpositionen oder eine kontinuierliche Verstellung zuzulassen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied von einer Magnetspule im Zusammenwirken mit einem Permanentmagneten oder einem magnetisierbaren Bauteil bewegbar. Die Magnetspule bewegt den Permanentmagneten oder das magnetisierbare Bauteil und damit das Stellglied (z. B. gegen eine Federkraft). Durch Einschalten eines Stromes in der Magnetspule wird das Stellglied aktiviert und durch Ausschalten wieder deaktiviert. Gegebenenfalls kann mit der Stärke des Stromes in der Magnetspule aber auch die Position des Stellgliedes eingestellt werden.
• Im vorliegenden Fall ist das Stellglied bevorzugt mit einer Steuereinheit verbunden, die eingerichtet ist, einen Zündvorgang des Heizgerätes und das Stellglied zu steuern.
• Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Steuerung eines Zündvorganges bei einem Heizgerät und des elektro-mechanischen Stellgliedes benötigen ein Programm und Daten, wobei beides z. B. gelegentlich aktualisiert werden muss.
• Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
• Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
• 1: ein pneumatisches Brenngasventil mit integriertem Stellglied, und
• 2: einen Strömungsweg für Brenngas mit Brenngasventil und einem Stellglied zur Verengung eines Querschnittes.
• 1 zeigt schematisch einen Strömungsweg 6 für Brenngas (reiner Wasserstoff oder Brenngas mit Wasserstoffanteil) durch ein pneumatisches Brenngasventil 1. Auf die genaue Bauart und Einzelheiten des Brenngasventils 1 kommt es im vorliegenden Fall nicht an. Jedenfalls aber muss es einen Ventilkörper 2 haben, der im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 14 einen Strömungsquerschnitt Q freigeben oder (teilweise) schließen kann. So kann bei freigegebenem Querschnitt Q ein Volumenstrom 11, 12 (durch Pfeile an einem Einlass und an einem Auslass angedeutet) durch das Brenngasventil 1 strömen. Bei einem pneumatischen Brenngasventil 1 (Regelventil) ist dieser Volumenstrom einem Luftstrom angepasst, der zusammen mit dem Brenngasstrom ein nicht dargestelltes Heizgerät speist. Zwar haben solche Brenngasventile eine Einstellmöglichkeit für das Verhältnis von Luft zu Brenngas, jedoch ist diese nicht für große Änderungen dieses Verhältnisses in allen Betriebssituationen geeignet, insbesondere nicht für eine signifikante Abmagerung des Gemisches beim Zünden eines Heizgerätes. Daher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein stabförmiges Stellglied 3 vorgesehen, welches elektro-mechanisch bewegbar ist und auf den Ventilkörper 2 wirkt. In einer Ruheposition P1 beeinflusst es den Ventilkörper 2 nicht in seiner Bewegung bzw. bewegt sich frei mit ihm. In einer Startposition P2 jedoch begrenzt es die Bewegung des Ventilkörpers 2 so, dass dieser nur einen begrenzten Querschnitt Q für den Volumenstrom 11, 12 freigeben kann. Dies hat zur Folge, dass (jedenfalls bei großen Luftströmen) weniger Brenngas im Verhältnis zu Luft zum Heizgerät strömt, was insbesondere beim Starten des Heizgerätes aus den oben beschriebenen Gründen erwünscht ist. Nach dem Starten des Heizgerätes kann das Stellglied 3 wieder in seine Ruheposition P1 zurückbewegt werden. Die Bewegung des Stellgliedes kann in beliebiger Weise bewirkt werden, die sich von einer Steuereinheit 16 auslösen lässt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Bewegung durch eine Tauchspule 4 in einem Gehäuse 5 bewirkt. Diese enthält eine Magnetspule 8, die von einer Stromquelle 10 über Zuleitungen 13 und einen Schalter 9 mit Strom versorgt werden kann. Die Steuereinheit 16 schließt und öffnet den Stromkreis nach den beschriebenen Anforderungen. Ein Permanentmagnet 7 wird bei geschlossenem Schalter 9 in die Magnetspule 8 gezogen (z. B. gegen die Kraft einer nicht dargestellten Feder) und bewegt das Stellglied 3 von der Ruheposition P1 in die Startposition P2. Analog funktioniert das auch mit einem magnetisierbaren Bauteil (z. B. aus Weicheisen) statt eines Permanentmagneten 7. Das Stellglied 3 kann (aber muss nicht) mit dem Permanentmagneten 7 und dem Ventilkörper 2 fest verbunden sein (und sich mit beiden bewegen). Es kann aber auch frei als Stößel ausgebildet sein, so dass es nur in der Startposition P2 direkten festen Kontakt zu Permanentmagnet 7 und Ventilkörper 2 hat. Grundsätzlich sind auch beliebige Zwischenstellungen zwischen P1 und P2 durch Einstellung eines entsprechenden Stromes in der Magnetspule 8 einstellbar, wofür aber im vorliegenden Fall kein Bedarf besteht. Das Stellglied 3 muss durch nicht dargestellte Dichteinrichtungen in dem Brenngasventil 1 geführt werden, damit kein Brenngas austreten kann.
• In 2 ist eine alternative Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt. Hier erfolgt die Beeinflussung des Volumenstromes 11, 12 im Strömungsweg 6 nicht durch Eingriff in das Brenngasventil 1, sondern stromaufwärts oder stromabwärts von diesem. Welche der beiden Möglichkeiten gewählt wird, hängt unter anderem von den Platzverhältnissen am jeweiligen Gerät und Ort ab. Der beschriebene Effekt der Abmagerung des Gemisches aus Luft und Brenngas beim Start eines Heizgerätes kann auch durch eine gezielt erzeugbare Verengung des Querschnittes Q des Strömungsweges 6 vor oder hinter dem Brenngasventil 1 erreicht werden. Eine einfache Verengungsmembran 15 wird dazu von dem Stellglied 3 teilweise in den Strömungsweg 6 gedrückt. In der Ruheposition P1 liegt die Verengungsmembran 15 quasi flach an einer Wand des Strömungsweges 6 an, wird aber in der Startposition P2 von dem Stellglied 3 in den Strömungsweg gedrückt und verengt oder begrenzt dadurch dessen freien Querschnitt Q. Der Antrieb und die Steuerung des Stellgliedes 3 können genau wie oben anhand von 1 beschreiben verwirklicht werden.
• Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Einrichtung den Volumenstrom an Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas durch ein pneumatisches Brenngasventil 1 für den Startvorgang eines Heizgerätes gezielt zu verringern, um den Zündvorgang sicherer und leichter steuerbar zu machen.
• Bezugszeichenliste

1

Pneumatisches Brenngasventil

2

Ventilkörper

3

Stellglied

4

Tauchspule

5

Gehäuse

6

Strömungsweg

7

Permanentmagnet

8

Magnetspule

9

Schalter

10

Stromquelle

11

Volumenstrom (Eintritt)

12

Volumenstrom (Austritt)

13

Zuleitungen

14

Ventilsitz

15

Verengungsmembran

16

Steuereinheit

Q

Querschnitt

P1

Ruheposition

P2

Startposition

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 384186 A1 [0002]

Claims (11)

1. Verfahren zur Beeinflussung eines Volumenstromes (11, 12) durch einen Strömungsweg (6) für Brenngas zu einem Heizgerät, wobei der Strömungsweg (6) ein pneumatisches Brenngasventil (1) aufweist und wobei innerhalb oder außerhalb des Brenngasventils (1) ein zusätzliches elektro-mechanisches Stellglied (3) den Strömungsweg (6) beeinflusst und dessen freien Querschnitt (Q) verengt und/oder begrenzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beim Zünden eines Gemisches aus Luft und Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas angewandt wird, indem der Volumenstrom (11, 12) beim Starten des Heizgerätes zumindest bis zur Zündung des Gemisches reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zusätzliche Stellglied (3) auf einen Ventilkörper (2) des Brenngasventils (1) wirkt und dessen Öffnung begrenzt oder verringert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zusätzliche Stellglied (3) einen Querschnitt (Q) des Strömungsweges (6) stromaufwärts oder stromabwärts des Brenngasventils (1) begrenzt oder verringert.
5. Anordnung zur Beeinflussung eines Volumenstromes (11, 12) durch einen Strömungsweg (6) für Brenngas zu einem Heizgerät, wobei der Strömungsweg (6) ein pneumatisches Brenngasventil (1) aufweist und wobei innerhalb oder außerhalb des Brenngasventils (1) ein zusätzliches elektro-mechanisches Stellglied (3) vorhanden ist, welches einen freien Querschnitt (Q) des Strömungsweges (6) verengen und/oder begrenzen kann.
6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei das Stellglied (3) auf einen Ventilkörper (2) des Brenngasventils (1) im Strömungsweg (6) wirkt.
7. Anordnung nach Anspruch 5, wobei das Stellglied (3) auf einen Querschnitt (Q) des Strömungsweges (6) stromaufwärts oder stromabwärts des Brenngasventils (1) wirkt.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Stellglied (3) mindestens zwei Positionen (P1, P2) einnehmen kann, eine (P1) ohne Verengung des Querschnittes (Q) und eine (P2) mit Verengung des Querschnittes (Q).
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Stellglied (3) von einer Magnetspule (8) im Zusammenwirken mit einem Permanentmagneten (7) oder einem magnetisierbaren Bauteil bewegbar ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Stellglied mit einer Steuereinheit (16) verbunden ist, die eingerichtet ist, einen Zündvorgang des Heizgerätes und das Stellglied (3) zu steuern.
11. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.

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