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EP4089329B1 - Verfahren und vorrichtung zum sicheren wiederstart eines mit hohem wasserstoffanteil betriebenen brenners - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum sicheren wiederstart eines mit hohem wasserstoffanteil betriebenen brenners

Info

Publication number
EP4089329B1
EP4089329B1 EP22168448.3A EP22168448A EP4089329B1 EP 4089329 B1 EP4089329 B1 EP 4089329B1 EP 22168448 A EP22168448 A EP 22168448A EP 4089329 B1 EP4089329 B1 EP 4089329B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
combustion chamber
burner
air
fuel gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP22168448.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4089329C0 (de
EP4089329A1 (de
Inventor
Bodo Oerder
Arnold Wohlfeil
Jochen Grabe
Fabian Staab
Matthias Hopf
Michael Schumacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4089329A1 publication Critical patent/EP4089329A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4089329B1 publication Critical patent/EP4089329B1/de
Publication of EP4089329C0 publication Critical patent/EP4089329C0/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/10—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermocouples
    • F23N5/102—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermocouples using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/14—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermo-sensitive resistors
    • F23N5/143—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermo-sensitive resistors using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/20—Systems for controlling combustion with a time programme acting through electrical means, e.g. using time-delay relays
    • F23N5/203—Systems for controlling combustion with a time programme acting through electrical means, e.g. using time-delay relays using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/04—Prepurge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/16—Flame sensors using two or more of the same types of flame sensor

Definitions

  • the invention relates to the safe restart (warm start) shortly after shutdown of a burner that is operated with a fuel gas containing a very high proportion of hydrogen, for example more than 95 vol% [volume percent], in particular 98 to 100%. It is particularly relevant for heating appliances or condensing boilers, for example for heating domestic hot water and/or heating buildings.
  • the aim is to operate fuel gas supply networks with decarbonized gases, one possibility being the use of hydrogen as the main component.
  • decarbonized gases one possibility being the use of hydrogen as the main component.
  • several differences must be considered when burning gases containing high levels of hydrogen compared to the combustion of conventional fuel gases, such as natural gas.
  • a method for detecting the oxidizable components in the exhaust gas of a combustion plant while simultaneously monitoring the burner flame and optimizing combustion For this purpose, the flame, the oxidizable components of the exhaust gas, and its temperature are monitored simultaneously by a sensor. This monitoring is performed directly in the exhaust gas stream or in a partial stream representing the exhaust gas stream. The distance between the burner and the sensor is chosen such that the effect of the exhaust gas on the sensor's temperature and the associated sensor response time are only a few seconds.
  • an ionization meter When using aliphatic fuel gases (e.g., methane, propane, butane), an ionization meter is typically used to monitor the presence of a flame (flame detector) and to control combustion. The presence of an ionization signal indicates that a flame is present. Measurements derived from this ionization signal, in conjunction with the mass flow rate of the supplied air, allow for the control of the fuel gas-to-air mixture ratio (lambda value) by adjusting a fuel gas valve.
  • aliphatic fuel gases e.g., methane, propane, butane
  • calibration data or characteristic curves can be stored or made available in the evaluation and control unit, with which measured values and their time derivatives can be compared.
  • the temperature sensor measures a temperature increase. If the flame goes out, a temperature drop is measured. If the temperature decrease per unit of time exceeds a previously determined value (e.g., determined experimentally), the evaluation and control unit interprets this as the flame going out and closes the fuel gas valve. The process is reversed when the burner is ignited. If there is no rapid temperature increase at the temperature sensor after ignition, a misfire can be assumed. If the temperature rises at the expected rate, the ignition process is considered successful. Temperature monitoring ensures that hydrogen is combusted. This is particularly important when the temperature in the combustion chamber is > 833 K [Kelvin] (auto-ignition temperature of hydrogen in air) and the air-fuel ratio is > 1 (lambda value > 1).
  • the air-fuel ratio (lambda) relates the actual available air mass to the minimum air mass theoretically required for stoichiometrically complete combustion. Temperature monitoring with the function of a flame detector ensures that combustion takes place or that the system shuts down if the flame goes out.
  • two or more temperature sensors can be used. Their readings are compared, and if deviations exceed a predefined threshold, a fault message and/or shutdown is triggered.
  • the measurement signals are transmitted to the evaluation and control unit via separate signal lines.
  • the measured temperatures are compared in the evaluation and control unit. If the temperature difference between the temperature sensors exceeds a defined threshold, this indicates that at least one of the temperature sensors (or its signal lines) is defective or thermally degraded.
  • the temperature sensors are identical and can be, for example, thermoelectric temperature sensors (thermocouples), resistance thermometers, or gas or liquid thermometers. Expansion thermometers are also a possible option.
  • a corresponding device for operating a burner with combustion air and a fuel gas containing more than 95 vol% hydrogen was also proposed, which has at least one temperature sensor as a flame monitor in a combustion chamber, which is connected to an evaluation and control unit via a signal line.
  • the temperature sensor should be located in the vicinity of a combustion flame or at a distance from it.
  • two or more temperature sensors are often used as flame detectors, connected to an evaluation and control unit via signal lines. This allows faults in one of the temperature sensors or their signal lines to be detected early and trigger a shutdown of the fuel gas supply.
  • the system described so far can reliably fulfill its safety function as a flame monitor during burner start-up if it is a so-called cold start, meaning the burner and combustion chamber are at a relatively low temperature (either close to ambient temperature or close to the temperature of a connected heating circuit).
  • the situation can be somewhat different during a restart, a so-called warm start, if the burner has only recently been switched off and is still at an elevated temperature.
  • undefined temperatures and temperature gradients prevail in the combustion chamber and surrounding components, so that the temperature sensor(s) cannot measure the typical temperature profiles described above when the burner restarts and therefore cannot reliably fulfill its flame monitor function.
  • the object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and, in particular, to create a method and a device for safe operation even during a hot start of a burner with air and a fuel gas containing more than 95 vol%, in particular containing more than 98% hydrogen, as well as an associated computer program product for the control and regulation during the start of the burner.
  • This system can utilize a single temperature sensor or multiple temperature sensors and the measured values they generate.
  • the system consisting of the temperature sensor and the evaluation and control unit, is configured with a continuous or quasi-continuous data connection.
  • the queried or generated measurement data, its temporal progression, and/or rate of change can be compared in real time, or optionally cumulatively/calculated/etc., or with a time delay, against predefined target ranges.
  • These target ranges can be limited by a lower and/or upper threshold.
  • Such a target range can be stored (statically), but it is also possible to adjust the target range to current operating conditions or calculate lower limits.
  • the fuel gas valve can be automatically closed, a process referred to here as "shutdown.”
  • All three measures a., b., and/or c. for or before restarting (reigniting) the burner can individually ensure a safe restart. For example, simply waiting (the time interval corresponds to an empirical value) until the temperature reaches a level roughly equivalent to that of a cold start can eliminate any risk. Such a waiting period can be useful for various reasons. For instance, restarting can be accelerated by directing (cold) air, particularly via the burner's blower, through the combustion chamber, thus achieving cold start conditions much more quickly. This also purges the combustion chamber and removes any residual fuel gas.
  • measures a., b., and/or c. are preferably only taken if the temperature sensor reading for a desired restart is above a (restart) threshold. Otherwise, a safe restart is possible without further measures. This approach often leads to a faster restart than waiting for a longer lockout period chosen for safety reasons.
  • the type and/or duration of measures a., b., and/or c. are dependent on the temperature sensor reading (at the time of a desired restart).
  • different measures or combinations of measures can then be taken, generally selected to allow a restart as quickly as possible. This can also be accelerated by (continuing to) monitor the temperature in the combustion chamber during the measures, so that a restart can be initiated immediately if a threshold value is undershot.
  • air at ambient temperature
  • a (restart) threshold a threshold for determining whether the measured temperature in the combustion chamber falls below a (restart) threshold.
  • At least two temperature sensors are present, the measured values of which are compared with each other. If deviations exceed a predefined difference value, at least a fault message or a shutdown is triggered. With such a setup, it is particularly useful to establish defined temperature conditions for a restart, because otherwise deviations could be interpreted as errors, even if they are, for example, only due to an elevated initial temperature of one of the sensors.
  • two or more temperature sensors are used as flame detectors and are connected to the evaluation and control unit via separate signal lines.
  • the solution proposed here also involves a computer program product comprising instructions that cause the described device to execute the described procedure.
  • an evaluation and control unit will contain at least one microprocessor and data memory to perform the described operations. This requires a suitable program that can be updated as needed, as well as stored calibration data.
  • FIG. 1 shows a heating appliance 1 designed for operation with hydrogen as fuel gas, including associated sensors 10 and 11.
  • the heating appliance 1 has a blower 2 which supplies a burner 3 with air from an air supply 4.
  • Fuel gas here hydrogen or a fuel gas mixture consisting predominantly of hydrogen
  • An evaluation and control unit 7 controls the blower 2 and the fuel gas valve 5 via control lines 13 so that a mixture suitable for ignition and/or continuous operation is created.
  • flames 16 are produced, the presence of which is monitored by at least one temperature sensor 10.
  • a further temperature sensor 11 is provided, which The accuracy, availability, and safety of the system are increased.
  • Each temperature sensor 10, 11 is connected to the evaluation and control unit 7 via a signal line 12.
  • the combustion chamber 15 is surrounded by a housing 8, which contains only indicated heat exchanger surfaces. Combustion gases are discharged to the environment via an exhaust system 9.
  • An ignition device 17 is provided for igniting the combustion; this device is connected to the evaluation and control unit 7 via an ignition line 14. If the burner 3 has been in operation for a period of time and is then switched off, higher temperatures prevail inside the housing 8, particularly in the combustion chamber 15, than during a cold start after a prolonged shutdown of the burner. Due to their heat storage capacity and the surrounding components, the temperatures measured by the temperature sensors 10, 11 are not precisely defined enough to be reliably used directly as flame detectors for a restart (warm start).
  • the temperature sensors 10, 11 indicate a temperature above a threshold value
  • measures as described above must be taken to reduce the temperature or change the power output of the heating unit 1 upon restart. Waiting for a lockout period and/or purging the combustion chamber 15 with air are suitable options. It is most advantageous to monitor the effect of these measures on the temperature and trigger a restart if the temperature falls below the threshold value. This can be handled by the evaluation and control unit 7, which is controlled by a suitable algorithm. Combinations of the described measures, particularly with an increase in power output upon restart, are possible.
  • the present invention makes it possible to carry out a safe restart after a shortened lockout period in heating appliances that are operated with hydrogen as fuel gas, without impairing the important safety function of at least one temperature sensor as a flame monitor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft den sicheren Wiederstart (Warmstart) kurz nach Abschaltung eines Brenners, der mit einem Brenngas betrieben wird, welches einen sehr hohen Anteil an Wasserstoff, beispielsweise mehr als 95 Vol-% [Volumenprozent], insbesondere 98 bis 100 % enthält. Insbesondere geht es um Heizgeräte oder Brennwert-Heizgeräte, beispielsweise für die Erwärmung von Brauchwasser und/oder die Beheizung von Gebäuden.
  • Um in Zukunft den Ausstoß an Kohlendioxid zu verringern, wird angestrebt, Versorgungsnetze für Brenngas mit dekarbonisierten Gasen zu betreiben, wobei eine Möglichkeit dazu die Verwendung von Wasserstoff als Hauptbestandteil ist. Bei der Verbrennung von hochwasserstoffhaltigen Gasen sind allerdings verschiedene Unterschiede gegenüber der Verbrennung von konventionellen Brenngasen, wie z. B. Erdgas, zu beachten.
  • Für einen sicheren Betrieb eines Brenners ist es z. B. erforderlich sicherzustellen, dass immer eine Flamme vorhanden ist, wenn dem Brenner Brenngas zugeführt wird. Erlischt die Flamme unbemerkt, so kann Brenngas in einen Verbrennungsraum und in die Umgebung entweichen und möglicherweise sogar ein explosives Gemisch bilden, was vermieden werden muss.
  • Aus der DE 101 53 643 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die oxidierbaren Bestandteile im Abgas einer Verbrennungsanlage erfasst werden können, und gleichzeitig eine Überwachung der Flamme des Brenners und eine Optimierung der Verbrennung ermöglicht wird. Hierfür werden die Flamme, die oxidierbaren Bestandteile des Abgases sowie dessen Temperatur gleichzeitig von einem Sensor aus überwacht, wobei die Überwachung direkt im Strom des Abgases oder in einem den Strom des Abgases repräsentierenden Teilstrom durchgeführt wird. Der Abstand zwischen dem Brenner und dem Sensor wird so gewählt, dass die Einwirkung des Abgases auf die Temperatur des Sensors und die damit verbundene Reaktionszeit des Sensors nur wenige Sekunden beträgt.
  • Bei Verwendung von aliphatischen Brenngasen (z. B. Methan, Propan, Butan) wird für die Überwachung des Vorhandenseins einer Flamme (Flammenwächter) und für die Regelung der Verbrennung meist ein sogenanntes Ionisationsmessgerät eingesetzt. Das Vorhandensein eines Ionisationssignals zeigt an, dass eine Flamme vorhanden ist, von dem Ionisationssignal abgeleitete Messwerte in Verbindung mit der Messung des Massenstromes an zugeführter Luft ermöglichen eine Regelung des Mischungsverhältnisses von Brenngas zu Luft (Lambda-Wert) durch Verstellung eines Brenngasventils.
  • Alle Vorgänge, bei denen ein Ionisationsstrom in der Flamme gemessen wird, funktionieren aber nicht bei der Verbrennung von Wasserstoff als Brenngas (auch nicht bei nur geringen Beimischungen aliphatischer Brennstoffe von wenigen Prozent). Außerdem ist die Flamme bei der Verbrennung von Wasserstoff für das menschliche Auge fast unsichtbar und auch nicht mit einfachen optischen Sensoren detektierbar. Eine Detektion im Ultraviolett-Bereich ist möglich, aber sehr aufwändig. Schließlich muss für einen sicheren Betrieb auch berücksichtigt werden, dass selbst ein Ausfall oder eine Fehlfunktion einzelner Teile, z. B. von Sensoren, nicht zu gefährlichen Situationen führen darf.
  • Es wurden aber bereits Verfahren zum Betrieb eines Brenners mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-%, insbesondere 98 bis 100%, Wasserstoff enthält, vorgeschlagen, die das Vorhandensein einer Flamme in einem Verbrennungsraum mittels mindestens eines Temperatursensors überwacht, dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Auswerte- und Regeleinheit weitergeleitet wird, wobei die Auswerte- und Regeleinheit den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwacht und mit vorgebbaren Sollbereichen vergleicht, und bei Abweichungen von einem der Sollbereiche die Brenngaszufuhr beendet.
  • Es können hierfür in der Auswerte- und Regeleinheit Kalibrierdaten oder Kennfelder gespeichert sein oder verfügbar gemacht werden, mit denen Messwerte und deren zeitliche Ableitungen verglichen werden können.
  • Zündet eine Flamme ordnungsgemäß, so wird von dem Temperatursensor ein Anstieg der Temperatur gemessen. Erlischt die Flamme, so wird ein Abfall der Temperatur gemessen. Überschreitet die Temperaturabsenkung pro Zeiteinheit einen vorher z. B. experimentell ermittelten Wert, so wird dies als Erlöschen der Flamme durch die Auswerte- und Regeleinheit interpretiert und das Brenngasventil geschlossen. Bei der Zündung des Brenners wird umgekehrt verfahren. Kommt es nach der Zündung zu keinem schnellen Temperaturanstieg an dem Temperatursensor, so kann auf eine Fehlzündung geschlossen werden. Steigt die Temperatur mit der erwarteten Geschwindigkeit, so wird der Zündvorgang als erfolgreich gewertet. Durch die Temperaturüberwachung kann sichergestellt werden, dass Wasserstoff verbrannt wird. Dies gilt insbesondere immer dann, wenn die Temperatur im Verbrennungsraum > 833 K [Kelvin] (Selbstzündungstemperatur von Wasserstoff in Luft) und das Luftverhältnis > 1 (Lambda-Wert > 1) ist. Das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) setzt die tatsächlich zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen Luftmasse, die für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung theoretisch benötigt wird. Durch die Temperaturüberwachung mit der Funktion eines Flammenwächters kann also sichergestellt werden, dass eine Verbrennung stattfindet bzw. eine Abschaltung erfolgt, falls die Flamme erlischt.
  • Aus Gründen der Redundanz und für einen höheren Sicherheitsstandard können zwei oder mehr Temperatursensoren vorhanden sein, wobei die Messwerte untereinander verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines vorgebbaren Schwellwertes eine Störmeldung und/oder Abschaltung ausgelöst wird. Die Messsignale werden durch separate Signalleitungen an die Auswerte- und Regeleinheit übermittelt. In der Auswerte- und Regeleinheit werden die gemessenen Temperaturen verglichen. Übersteigt die Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren einen definierten Schwellwert, so ist dies ein Indiz dafür, dass mindestens einer der Temperatursensoren (oder deren Signalleitungen) defekt sind oder thermisch degradieren. Bevorzugt sind die Temperatursensoren baugleich und können beispielsweise als thermoelektrische Temperatursensoren (Thermoelemente) oder Widerstandsthermometer oder Gas- oder Flüssigkeitsthermometer ausgeführt sein. Auch Ausdehnungsthermometer können in Betracht kommen.
  • Auch eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners mit Verbrennungsluft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wurde vorgeschlagen, welche in einem Verbrennungsraum mindestens einen Temperatursensor als Flammenwächter aufweist, der über eine Signalleitung mit einer Auswerte- und Regeleinheit verbunden ist.
  • Schon mit dieser Ausstattung lässt sich, wie oben beschrieben, eine Flammenüberwachung durchführen. Je nach Bauart und Anforderungen kann der Temperatursensor im Bereich einer Verbrennungsflamme oder mit Abstand dazu angeordnet sein.
  • Oft werden aus Sicherheitsgründen zwei oder mehr Temperatursensoren als Flammenwächter eingesetzt, die mittels Signalleitungen mit einer Auswerte- und Regeleinheit verbunden sind. So können Fehler in einem der Temperatursensoren oder deren Signalleitungen frühzeitig erkannt werden und eine Abschaltung der Brenngaszufuhr auslösen.
  • Das bisher beschriebene System kann seine Sicherheitsfunktion als Flammenwächter beim Start eines Brenners zuverlässig erfüllen, wenn es sich um einen sogenannten Kaltstart handelt, der Brenner und der Verbrennungsraum sich also auf einer relativ niedrigen Temperatur (entweder nahe der Umgebungstemperatur oder nahe an einer Temperatur eines angeschlossenen Heizkreislaufes) befindet. Etwas anders kann die Situation bei einem Wiederstart, einem sogenannten Warmstart, sein, wenn also der Brenner erst vor kurzer Zeit abgeschaltet wurde und sich noch auf erhöhter Temperatur befindet. Dann herrschen schwer definierbare Temperaturen und Temperaturgradienten im Verbrennungsraum und den umliegenden Bauteilen, so dass der oder die Temperatursensor(en) bei einem erneuten Start des Brenners nicht die beschriebenen typischen Temperaturverläufe messen und daher auch nicht die Funktion als Flammenwächter sicher erfüllen können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum sichern Betrieb auch bei einem Warmstart eines Brenners mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-%, insbesondere mehr als 98%, Wasserstoff enthält, sowie eines zugehörigen Computerprogrammproduktes für die Steuerung und Regelung beim Start des Brenners.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung 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 bevorzugte Ausführungsbeispiele an.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren bei zum Betrieb eines Brenners mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei das Vorhandensein einer Flamme in einem Verbrennungsraum mittels mindestens eines Temperatursensors überwacht wird, dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Auswerte- und Regeleinheit weitergeleitet wird, wobei die Auswerte- und Regeleinheit den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwacht und mit vorgebbaren Sollbereichen vergleicht, und bei Abweichungen von einem der Sollbereiche das Brenngasventil schließt, wobei ferner bei einem Wiederstart des Brenners nach einer Abschaltung mindestens eine der folgenden Maßnahmen getroffen wird:
    1. a. der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt, wobei das Zeitintervall so bemessen ist, dass sich die Temperatur im Verbrennungsraum auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart entspricht,
    2. b. es wird vor dem Wiederstart kalte Luft durch den Verbrennungsraum geleitet, bis sich die Temperatur im Verbrennungsraum auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart,
    3. c. der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner.
  • Hierbei kann auf einen einzelnen Temperatursensor oder mehrere Temperatursensoren bzw. die damit gewonnenen Messwerte zurückgegriffen werden. Das System aus Temperatursensor und Auswerte- und Regeleinheit ist dabei so eingerichtet, dass diese mittels einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlich Datenverbindung ausgestattet sind. Die so abgefragten oder erzeugten Messwert-Daten, deren zeitlicher Verlauf und/oder deren Änderungsgrad kann in Echtzeit oder ggf. kumuliert/berechnet/etc. oder ggf. zeitlich versetzt mit vorgebbaren Sollbereichen verglichen werden. Diese Sollbereiche können von einem unteren und/oder oberen Schwellwert begrenzt sein. Ein solcher Sollbereich kann (starr) abgespeichert werden, es ist aber auch möglich, den Sollbereich ggf. an aktuelle Betriebsbedingungen anzupassen oder unteren Berücksichtigung zu berechnen. Bei Abweichungen von einem der Sollbereiche, ggf. auch mit einer vorgegebenen Anzahl an Über- oder Unterschreitungen und/oder ggf. einer vorgegebenen Toleranz kann das Brenngasventil automatisch geschlossen werden, was hier insbesondere als "Abschaltung" bezeichnet wird.
  • Alle drei Maßnahmen a., b. und/oder c. zum bzw. vor dem Wiederstart (erneuten Zünden) des Brenners können schon einzeln einen sicheren Wiederstart bewirken. Wartet man z. B. einfach so lange (Zeitintervall entspricht einem Erfahrungswert), bis die Temperatur sich auf einem Niveau befindet, das etwa dem bei einem Kaltstart entspricht, so kann jedes Risiko vermieden werden. Eine solche Sperrzeit kann aus verschiedenen Gründen sinnvoll sein. Man kann beispielsweise auch einen Wiederstart beschleunigen, indem man (kalte) Luft, insbesondere mittels des Gebläses des Brenners durch den Verbrennungsraum leitet, wodurch sehr viel schneller die Bedingungen eines Kaltstartes wieder erreicht werden. Dadurch kann außerdem der Verbrennungsraum gespült und von eventuellen Brenngasresten befreit werden. Außerdem kann es möglich sein, den Brenner beim Wiederstart mit einer (gegenüber dem Erststart oder einem vorherigen Wiederstart) höheren Leistung durch höhere Zufuhr an Luft und Brenngas zu starten, wodurch charakteristische Temperaturverläufe, die zur Flammenüberwachung genügen, erreicht werden können, auch wenn die Ausgangstemperatur noch nicht der bei einem Kaltstart entspricht. Natürlich ist eine Kombination der einzelnen Maßnahmen möglich und oft nützlich.
  • Es sei erwähnt, dass die Maßnahmen a., b- und/oder c. bevorzugt nur getroffen werden, wenn der Messwert des Temperatursensors für einen gewünschten Wiederstart oberhalb eines (Wiederstart-)Schwellwertes liegt. Ansonsten ist ein sicherer Start ohne weitere Maßnahmen möglich. Diese Vorgehensweise führt oft zu einem schnelleren Wiederstart als das Abwarten einer aus Sicherheitsgründen lang gewählten Sperrzeit.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Art und/oder Dauer der Maßnahmen a., b. und/oder c. von dem Messwert des Temperatursensors (zum Zeitpunkt eines gewünschten Wiederstarts) abhängig gemacht werden. Je nach Temperatur im Verbrennungsraum können dann unterschiedliche Maßnahmen oder Kombinationen von Maßnahmen getroffen werden, wobei diese im Allgemeinen so gewählt werden, dass ein Wiederstart möglichst schnell zugelassen wird. Dieser kann auch dadurch beschleunigt werden, dass die Temperatur im Verbrennungsraum während der Maßnahmen (weiter) beobachtet wird, so dass bei Unterschreiten eines Schwellwertes direkt ein Wiederstart erfolgen kann.
  • Insbesondere auch durch die Möglichkeit eines Wiederstartes mit erhöhter Leistung entsteht ein erheblicher Spielraum zur Beschleunigung eines Wiederstartes des Brenners, der dynamisch von der gemessenen Temperatur und anderen einer Auswerte- und Regeleinheit vorgebbaren Faktoren abhängig gemacht werden kann.
  • Insbesondere kann so lange Luft (mit Umgebungstemperatur) durch den Verbrennungsraum geleitet werden, bis der Messwert der Temperatur im Verbrennungsraum einen (Wiederstart-)Schwellwert unterschreitet.
  • Aus Sicherheits- oder Redundanzgründen sind vorzugsweise mindestens zwei Temperatursensoren vorhanden, deren Messwerte untereinander verglichen werden, wobei bei Abweichungen oberhalb eines vorgebbaren Differenzwertes zumindest eine Störmeldung oder eine Abschaltung ausgelöst wird. Gerade bei einer solchen Ausstattung ist es sinnvoll, definierte Temperaturbedingungen für einen Wiederstart herbeizuführen, weil ansonsten Abweichungen als Fehler interpretiert werden könnten, die z. B. nur auf einer erhöhten Ausgangstemperatur eines der Sensoren beruhen.
  • Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners mit Verbrennungsluft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei in einem Verbrennungsraum mindestens ein Temperatursensor als Flammenwächter vorhanden ist, der über eine Signalleitung mit einer Auswerte- und Regeleinheit verbunden ist und wobei die Auswerte- und Regeleinheit eingerichtet ist, bei einem Wiederstart des Brenners nach einer Abschaltung in Abhängigkeit von einem Messwert des Temperatursensors mindestens eine der folgenden Maßnahmen durchzuführen:
    1. a. der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt, wobei das Zeitintervall so bemessen ist, dass sich die Temperatur im Verbrennungsraum auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart entspricht;
    2. b. es wird vor dem Wiederstart Luft durch den Verbrennungsraum geleitet, bis sich die Temperatur im Verbrennungsraum auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart;
    3. c. der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner.
  • Bevorzugt sind zwei oder mehr Temperatursensoren als Flammenwächter vorhanden und mittels getrennter Signalleitungen mit der Auswerte- und Regeleinheit verbunden.
  • Die hier vorgeschlagene Lösung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das beschriebene Verfahren ausführt. Im Allgemeinen wird eine Auswerte- und Regeleinheit mindestens einen Mikroprozessor und Datenspeicher enthalten, um die beschriebenen Vorgänge auszuführen. Dazu wird ein geeignetes Programm benötigt, welches auch bei Bedarf aktualisiert werden kann, ebenso wie gespeicherte Kalibrierdaten.
  • Zur Charakterisierung der Vorrichtung kann vollumfänglich auf die Erläuterungen zum Verfahren Bezug genommen werden, und umgekehrt.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    schematisch den Aufbau eines Heizgerätes mit Sensorik und Auswerte- und Regeleinheit
  • Fig. 1 zeigt ein für den Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas ausgelegtes Heizgerät 1 mit zugehöriger Sensorik 10, 11. Das Heizgerät 1 weist ein Gebläse 2 auf, welches einen Brenner 3 mit Luft von einer Luftzufuhr 4 versorgt. Über ein Brenngasventil 5 wird Brenngas (hier Wasserstoff oder ein vorwiegend aus Wasserstoff bestehendes Brenngasgemisch) aus einer Brenngasversorgung 6 der Luft beigemischt. Eine Auswerte- und Regeleinheit 7 steuert über Steuerleitungen 13 das Gebläse 2 und das Brenngasventil 5 so, dass ein für eine Zündung und/oder einen Dauerbetrieb geeignetes Gemisch entsteht. Bei der Verbrennung dieses Gemisches in einem Verbrennungsraum 15 entstehen Flammen 16, deren Vorhandensein anhand von mindestens einem Temperatursensor 10 beobachtet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Temperatursensor 11 vorhanden, wodurch die Genauigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit des Systems erhöht wird. Jeder Temperatursensor 10, 11 ist über eine Signalleitung 12 mit der Auswerte- und Regeleinheit 7 verbunden. Der Verbrennungsraum 15 ist von einem Gehäuse 8 umgeben, in dem sich hier nur angedeutete Wärmetauscherflächen befinden. Entstehende Verbrennungsgase werden über eine Abgsanlage 9 an die Umgebung abgeleitet. Zum Zünden der Verbrennung ist eine Zündeinrichtung 17 vorhanden, die mittels einer Zündleitung 14 mit der Auswerte- und Regeleinheit 7 verbunden ist. War der Brenner 3 eine Zeit lang in Betrieb und wurde dann abgeschaltet, so herrschen innerhalb des Gehäuses 8, insbesondere im Verbrennungsraum 15 höhere Temperaturen als bei einem Kaltstart nach langer Abschaltung des Brenners. Die von den Temperatursensoren 10, 11 gemessenen Temperaturen sind wegen deren Wärmespeicherfähigkeit und der umliegender Bauteile nicht so genau definiert, dass man sie direkt sicher als Flammenwächter für einen Wiederstart (Warmstart) einsetzen könnte. Zeigen die Temperatursensoren 10, 11 eine oberhalb eines Schwellwertes liegende Temperatur an, so müssen daher Maßnahmen wie oben beschrieben zur Reduzierung der Temperatur oder Änderung der Leistung des Heizgerätes 1 beim Wiederstart getroffen werden. Warten für eine Sperrzeit und/oder Spülen des Verbrennungsraumes 15 mit Luft sind geeignet, wobei es am günstigsten ist, die Wirkung dieser Maßnahmen auf die Temperatur zu beobachten und bei Unterschreitung des Schwellwertes einen Wiederstart auszulösen. Dies kann von der Auswerte- und Regeleinheit 7 übernommen werden, die dazu von einem geeigneten Algorithmus gesteuert wird. Kombinationen der beschriebenen Maßnahmen, insbesondere mit einer Erhöhung der Leistung bei einem Wiederstart sind möglich.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei Heizgeräten, die mit Wasserstoff als Brenngas betrieben werden, einen sicheren Wiederstart nach einer verkürzten Sperrzeit durchzuführen, ohne die wichtige Sicherheitsfunktion von mindestens einem Temperaturfühler als Flammenwächter zu beeinträchtigen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Gebläse
    3
    Brenner
    4
    Luftzufuhr
    5
    Brenngasventil
    6
    Brenngasversorgung
    7
    Auswerte- und Regeleinheit
    8
    Gehäuse
    9
    Abgasanlage
    10
    Temperatursensor
    11
    Weiterer Temperatursensor
    12
    Signalleitungen
    13
    Steuerleitungen
    14
    Zündleitung
    15
    Verbrennungsraum
    16
    Flamme
    17
    Zündeinrichtung

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (3) mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei das Vorhandensein einer Flamme (16) in einem Verbrennungsraum (15) mittels mindestens eines Temperatursensors (10, 11) überwacht wird, dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Auswerte- und Regeleinheit (7) weitergeleitet wird, wobei die Auswerte- und Regeleinheit (7) den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwacht und mit vorgebbaren Sollbereichen vergleicht, und bei Abweichungen von einem der Sollbereiche das Brenngasventil (5) schließt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wiederstart des Brenners (3) nach seinem Betrieb und einer Abschaltung mindestens eine der folgenden Maßnahmen getroffen wird:
    a. der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt, wobei das Zeitintervall so bemessen ist, dass sich die Temperatur im Verbrennungsraum (15) auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart entspricht,
    b. es wird vor dem Wiederstart kalte Luft durch den Verbrennungsraum (15) geleitet, bis sich die Temperatur im Verbrennungsraum (15) auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart entspricht,
    c. der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maßnahmen nur getroffen werden, wenn der Messwert des Temperatursensors (10, 11) oberhalb eines Schwellwertes liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest die Art oder Dauer der Maßnahmen von dem Messwert des Temperatursensors (10, 11) abhängig gemacht werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei so lange Luft durch den Verbrennungsraum (15) geleitet wird, bis der Messwert der Temperatur einen Schwellwert unterschreitet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Temperatursensoren (10, 11) vorhanden sind, deren Messwerte untereinander verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines vorgebbaren Differenzwertes zumindest eine Störmeldung oder eine Abschaltung ausgelöst wird.
  6. Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners (3) mit Verbrennungsluft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei in einem Verbrennungsraum (15) mindestens ein Temperatursensor (10, 11) als Flammenwächter vorhanden ist, der über eine Signalleitung (12) mit einer Auswerte- und Regeleinheit (7) verbunden ist und dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Regeleinheit (7) eingerichtet ist, bei einem Wiederstart des Brenners (3) nach seinem Betrieb und einer Abschaltung in Abhängigkeit von einem Messwert des Temperatursensors (10, 11) mindestens eine der folgenden Maßnahmen durchzuführen:
    a. der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt, wobei das Zeitintervall so bemessen ist, dass sich die Temperatur im Verbrennungsraum (15) auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart entspricht;
    b. es wird vor dem Wiederstart Luft durch den Verbrennungsraum (15) geleitet, bis sich die Temperatur im Verbrennungsraum (15) auf einem Niveau befindet, das dem bei einem Kaltstart entspricht;
    c. der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei zwei oder mehr Temperatursensoren (10, 11) als Flammenwächter vorhanden und mittels getrennter Signalleitungen (12) mit der Auswerte- und Regeleinheit (7) verbunden sind.
  8. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt
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