AT413440B

AT413440B - Verfahren zur anpassung des brenngas-luft- verhältnisses an die gasart bei einem gasbrenner

Info

Publication number: AT413440B
Application number: AT0158503A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2006-02-15
Also published as: ATA15852003A

Description

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AT 413 440 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anpassung der Brenngas-Luft-Verhältnisses an die Gasart bei einem Gasbrenner vorzugsweise bei einem Heizgerät.

Bei elektronischen Gas-Luftverbund-Sytemen ist es gemäß dem Stand der Technik üblich, bei 5 der Umstellung von der 2. zur 3. Gasfamilien, also von Erdgas auf Flüssiggas oder umgekehrt, zusätzlich zum Düsenwechsel einige in der Geräteelektronik hinterlegten Parameter manuell umzuprogrammieren.

Bei Gasbrennern wird ein bestimmtes Brenngas-Luft-Verhältnis benötigt. In der Praxis werden io Gasbrenner für Heizungsanlagen mit etwa 20 bis 40 % Luftüberschuss betrieben. Bei nahstöchiometrischer und unterstöchiometrischer Verbrennung verbleiben erhebliche Mengen Kohlenmonoxid, das stets bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasserdampf als Zwischenprodukt entsteht, im Abgas. Da dies den Wirkungsgrad negativ beeinflußt und vor allem, da Kohlenmonoxid giftig ist, müssen hohe Kohlenmonoxidemissionen 15 vermieden werden.

Reduziert man den Luftüberschuss bei der Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemisches ausgehend von etwa 30 % Luftüberschuß, so steigen unterhalb eines Luftüberschusses von ca. 10% die Kohlenmonoxidemissionen sehr deutlich an. Der Fachmann erkennt hieraus, dass der 20 Brenner mit zu wenig Luftüberschuss betrieben wird.

Bei modernen, modulierenden Heizgeräten wird der Verbrennungsluftvolumenstrom durch die Förderleistung eines modulierbaren Gebläses variabel eingestellt. Die Brenngasmenge wird entweder über einen Brenngas-Luft-Verbund, z.B. mittels einer Gasarmatur, bei der mittels 25 einer Membran der Brenngasvolumenstrom dem Luftvolumenstrom angepaßt wird, oder über ein regelbares Gasventil eingestellt.

Der Brenngasmassenstrom durch eine Düse wird durch den Düsenquerschnitt Q, den Druck vor der Düse (Brenngasdruck Perenngas) und dahinter, den Düsenausflußfaktor ψ, die Dichte p und 30 den Isentropenexponenten κ des Brenngases bestimmt. m = ^^Pßrenngas^Brenngas iß™ -/?(K+1)/K) 35 ß — PhinterDOse P vor Düse

Heizgeräte werden mit Erdgas mit einem Druck von maximal 20 * 105 Pa betrieben; bei Flüssig-40 gas sind es 50 * 105 Pa.

Tabelle 1: Unterschiede Methan zu Propan

Heizwert Dichte Mindestluft bedarf Vol.str. Brenngas pro kW Vol.str.Luft pro kW Hu P Imin dVL/dt dVß/dt kWh/m3 kg/m3 m3L/m3B m3/h m3/h Methan CH4 9,968 0,7175 9,52 0,1003 0,9551 Propan C3H8 25,893 2,0110 23,80 0,0386 0,9192

Erdgas besteht im Wesentlichen aus Methan. Propan ist ein typisches Flüssiggas. Aus Tabelle 55 1 wird deutlich, dass ein Heizgerät nicht ohne Änderungen von Erdgas auf Flüssiggas oder 3

AT 413 440 B umgekehrt umgestellt werden kann. Zwar wird pro Belastungseinheit etwa die gleiche Menge Luft benötigt, doch unterscheiden sich die notwendigen Brenngasströme erheblich.

Daher wird in der Praxis bei der Verwendung von Flüssiggas zusätzlich eine drosselnde Blende 5 in den Gasweg eingebaut, um den Brenngasstrom entsprechend zu reduzieren. Da jedoch aus oben genannten Gründen das Ausströmverhalten verschiedener Gase unterschiedlich ist, kann mittels einer Düse lediglich in einem Betriebspunkt das Brenngas-Luft-Verhältnis angepaßt werden. Für den Modulationsbereich, also den Bereich von Minimal- bis Maximallast muss zusätzlich das Verhältnis angepaßt werden. 10

Gemäß dem Stand der Technik muss bei der Umrüstung von Erdgas auf Flüssiggas die Drossel eingesetzt werden und zusätzlich müssen in der Elektronik Parameter umprogrammiert werden. Vergißt der Heizungsinstallateur die Umprogrammierung, so kann es zu Betriebsstörungen kommen, zumindest ist mit einer unhygienischen Verbrennung zu rechnen. 15

Aus der DE 30 10 147 A1 ist bekannt, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis mittels einer nicht weiter dargestellten Abgas-Meßeinrichtung eingestellt werden kann. Bei einem aus der DE 35 26 384 A1 bekannten Verfahren wird mittels einer Kombination eines Sauerstoffsensors und eines Kohlenmonoxid-Sensor bei der Inbetriebnahme einer verbrennungstechnischen 20 Anlage individuell die Sauerstoffmenge an die Brennstoffmenge angepasst. Gleichzeitig werden der Sauerstoff- und Kohlenmonoxidgehalt im Abgas gemessen. Bei konstantem Luftstrom wird die Brennstoffmenge solange erhöht, bis der CO-Gehalt signifikant ansteigt. Der dann gemessene Sauerstoffüberschuss bildet den individuellen Grenzwert der Anlage bezüglich einer saueren Verbrennung. 25

Bei einem aus der DE 101 45 592 C1 bekannten Verfahren zur Einstellung des Brenngas-Luft-Verhältnisses wird im Abgas einer verbrennungstechnischen Anlage der Sauerstoffüberschuss gemessen. Das so gemessene Signal verändert sich bei einer unvollständigen Verbrennung nur geringfügig, so dass das Signal sehr exakt ausgewertet werden muss. Dem gegenüber steigen 30 hierbei die Kohlenmonoxidemissionen sprunghaft an, was jedoch bei aus der DE 101 45 592 C1 bekannten Verfahren nicht genutzt werden kann.

Ziel der Erfindung ist daher, auf den manuellen Vorgang der Umprogrammierung verzichten zu können und dennoch eine hygienische Verbrennung zu garantieren. 35

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Anpassung der Brenngas-Luft-Verhältnisses an die Gasart bei einem Gasbrenner gemäß den Merkmalen des Anpruchs 1 dadurch erreicht, dass bei mindestens einer vorgegebenen Stellung der Mittel zur Einstellung des Verbrennungsluftvolumenstroms, zum Beispiel einer vorgegebenen Gebläsedrehzahl, und 40 der Mittel zur Einstellung des Brenngasvolumenstroms, zum Beispiel ein bestimmter Öffnungshub einer Gasarmatur, eine Messung einer bestimmten Gaskonzentration im Abgasweg des Gasbrenners, zum Beispiel Sauerstoff oder Kohlenmonoxid, vorgenommen wird und das Meßergebnis mit mindestens einem Referenzwert oder mindestens einem weiteren Meßwert verglichen wird. Die Regelung stellt - basierend auf den Meßergebnissen - das Verhältnis des Brenn-45 gasvolumenstroms zu dem Verbrennungsluftvolumenstrom entsprechend ein.

Gemäß den Merkmalen des abhängigen Anspruchs 2 kommt im Abgasweg ein Kohlenmonoxid sensibler Sensor zum Einsatz, um ein besonders einfach auswertbares Signal zu erhalten. Während ein Sauerstoffsensor bei nahstöchiometrsicher Verbrennung ein lineares Signal mißt, so kann ein CO-Sensor ein exponentielles Signal messen.

Gemäß den Merkmalen des abhängigen Anspruchs 3 wird beim Betrieb mit Flüssiggas eine entsprechende Drossel eingesetzt, um den Brenngasstrom zu drosseln. 55 Gemäß den Merkmalen des abhängigen Anspruchs 4 wird das Verfahren nach dem Betätigen 4

AT 413 440 B des elektrischen Hauptschalters durchgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass bei einer Erstinbetriebnahme, jedoch auch bei Wartungen mit möglichem Düsenwechsei, eine automatische Anpassung erfolgt. 5 Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen detailliert erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Heizgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2 charakteristische Kennlinien für die Einstellung des Brenngas-Luft-Verhältnisses io Fig. 1 zeigt ein Heizgerät 1 mit einer Regeleinheit 3, einer elektrisch angesteuerten Gasarmatur 9 mit Schrittmotor 8, einem elektronisch angesteuerten Gebläse 7, einem Brenner 4, einem Wärmeaustauscher 10, und einer Abgasführung 11, in der sich ein CO-Sensor 2 befindet.

Ein elektronisches Gas-Luft-Verbund System besteht aus einem elektronisch angesteuerten 15 Gebläse 7, einer elektrisch angesteuerten Gasarmatur 9 z.B. mit Schrittmotor 8, einer Regeleinheit 3, sowie einem CO-Sensor 2. Optional befindet sich am Ausgang der Gasarmatur 9 in Richtung Gebläse 7 eine zusätzliche Drossel 16, die bei der Verwendung von Flüssiggas eingesetzt wird. Vor dem Gebläse 7 werden Brenngas und Luft vermischt und dem Brenner 4 zugeführt. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden an einem Wärmeaustau-20 scher 10 abgekühlt und anschließen über die Abgasführung 11 aus dem Heizgeräte 1 in die Umgebung geführt. Für eine saubere Verbrennung ist es erforderlich, das Brenngas-Luft-Gemisch in vorgegebenen Grenzen zu halten. Das Gemisch wird bestimmt durch die Drehzahl des Gebläse 7 im Verhält-25 nis zur Schrittzahl des Motors 8 an der Gasarmatur 9. Dieses wird als Kennlinie in der Regelelektronik 3 hinterlegt. Diesen Zusammenhang zeigt Fig. 2.

Fig. 2 zeigt eine Kennlinie für Flüssiggas 12 unter Verwendung der zusätzlichen Drossel 15 und eine Kennlinie für Erdgas 13. 30

Im Vergleich zwischen Erdgasen und Flüssiggasen sind bei gleicher Geräteleistung die Gasvolumenströme um den Faktor 2,6 unterschiedlich. Deshalb wird in den Gaseingang 14 oder -ausgang 15 der Gasarmatur 9 ein Drosselelement 16 eingebaut. Damit wird erreicht, dass bei maximaler Geräteleistung die Schrittzahl des Motors der Gasarmatur trotz niedriger Volumen-35 ströme die gleiche ist wie beim Erdgasbetrieb. Über die Modulationsbandbreite unterscheidet sich die Flüssiggaskennline 12 jedoch von der Erdgaskennlinie 13. Man erkennt, dass die Flüssiggaskennline 12 wesentlich flacher verläuft als die Erdgaskennline 13. Dies führt bei Systemen gemäß dem Stand der Technik dazu, dass man 40 dem Gerät "mitteilen" muss, mit welcher Gasart es betrieben wird. Diese Einstellung erfolgt meist über Tasten an der Regelelektronik 3.

Demgegenüber muss erfindungsgemäß lediglich oben erwähntes Drosselelement 16 eingebaut werden, die dafür sorgt, dass im Volllastpunkt unabhängig ob Erd- oder Flüssiggas das richtige 45 Mischungsverhältnis vorliegt.

Das Heizgerät 1 wird mit Volllast in Betrieb genommen. Danach wird die Leistung reduziert, indem die Gebläsedrehzahl und die Schrittzahl des Schrittmotors 8 entsprechend der Erdgaskennlinie 13 eingestellt werden. Wird das Heizgerät 1 mit Flüssiggas bietrieben, so wird das so Brenngas-Luft-Gemisch überfettet, da das Heizgerät 1 bei Flüssiggas gemäß der Flüssiggaskennlinie 12, also das Heizgerät 1 mit weniger Öffnung der Gasarmatur 9 betrieben werden müsste. Da bei nahstöchiometrischer Verbrennung der CO-Gehalt im Abgas sprungartig ansteigt und dieser Anstieg vom CO-Sensor 2 detektiert wird, kann die Regelelektronik 3, welche das Signal des CO-Sensors 2 übermittelt bekommt, von der Erdgaskennlinie 13 auf die Flüssiges gaskennlinie 12 umschalten.

Claims

5 AT 413 440 B Da es sowohl bei Erdgas, als auch Flüssiggas Unterschiede in der Zusammensetzung gibt, kann auch eine Feinabstimmung vorgenommen werden. Hierzu wird bei einer vorgegebenen Gebläsedrehzahl die Gasarmatur 9 - ausgehend von magerem Gemisch - solange Richtung fetterem Gemisch verstellt, bis eine bestimmte Kohlenmonoxidemission sich einstellt. Das 5 gleiche wird bei einer anderen Gebläsedrehzahl durchgeführt. Die beiden Einstellungen, die sich auf diese Art ergeben, sind signifikant für die Gasart. Hierdurch lässt sich das Gerät individuelle auf die Brenngaszusammensetzung einstellen, indem für den Sollbetriebspunkt die Brenngasmenge beispielsweise gegenüber den ermittelten Referenzpunkten um 20 % reduziert wird und die Modulationskennlinie entlang dieser beiden Sollbetriebspunkte interpoliert wird. 10 Hierdurch ist es auch prinzipiell möglich, auf die Düse für den Flüssiggasbetrieb gänzlich zu verzichten. Bei dem Verfahren zur Umstellung von Erdgas auf Flüssiggas ohne Drosseldüse 16 ist jedoch darauf zu achten, dass zeitweise die Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs außerhalb des Zündbereichs liegen könnte und es möglicherweise bei Überschrei- 15 tung der Zündgrenze zu einer Verpuffung kommen könnte. Daher wären Pausenzeiten mit reinen Luftspülpausen ratsam. Ferner ist darauf zu achten, dass es sowohl bei nahstöchiometrischer, als auch bei sehr überstöchiometrischer Verbrennung zu einem starken Anstieg der Kohlenmonoxidemissionen 20 kommt. Um zu erkennen, ob die aktuelle Verbrennung nahstöchiometrisch oder stark überstö-chiometrisch ist, kann das Brenngas-Luft-Verhältnis verändert werden. Ist die Verbrennung stark überstöchiometrisch und wird das Gemisch angefettet, so sinken die Kohlenmonoxidemissionen; bei nahstöchiometrischer Verbrennung würden die Kohlenmonoxidemissionen weiter ansteigen. 25 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Anpassung des Brenngas-Luft-Verhältnisses an die Gasart bei einem Gas- 30 brenner (4) vorzugsweise bei einem Heizgerät (1) mit einer Regelung (3), Mitteln zur Einstellung des Verbrennungsluftvolumenstroms (7), Mitteln zur Einstellung des Brenngasvolumenstroms (8, 9) und einem Sensors (2) zur Erfassung der Kohlenmonoxid-Gaskonzentration im Abgasweg (11) des Gasbrenners (4), dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer vorgegebenen Stellung der Mittel zur Einstellung des Verbrennungs- 35 luftvolumenstroms (7) und der Mittel zur Einstellung des Brenngasvolumenstroms (8, 9) eine Messung der Gaskonzentration im Abgasweg (11) des Gasbrenners (4) vorgenommen wird, das Meßergebnis mit mindestens einem Referenzwert oder mindestens einem weiteren Meßergebnis verglichen wird und die Regelung (3) das Verhältnis des Brenngasvolumenstroms zu dem Verbrennungsluftvolumenstrom entsprechend des Meßergebnisses 40 einstellt.
2. Verfahren zur Anpassung des Brenngas-Luft-Verhältnisses an die Gasart bei einem Gasbrenner (4) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Flüssiggas eine Drossel (16) in die Brenngasleitung (14,15) eingesetzt wird. 45
3. Verfahren zur Anpassung des Brenngas-Luft-Verhältnisses an die Gasart bei einem Gasbrenner (4) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach der Betätigung des elektrischen Gerätehauptschalters durchgeführt wird. 50 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 55