EP4012260A1 - Gas boiler and method for controlling a combustion process of a gas boiler - Google Patents

Gas boiler and method for controlling a combustion process of a gas boiler Download PDF

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EP4012260A1
EP4012260A1 EP21207261.5A EP21207261A EP4012260A1 EP 4012260 A1 EP4012260 A1 EP 4012260A1 EP 21207261 A EP21207261 A EP 21207261A EP 4012260 A1 EP4012260 A1 EP 4012260A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
gas
exhaust gas
control unit
partial exhaust
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21207261.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Hermann
Stephan MICHAEL
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.)
Ebm Papst Landshut GmbH
Original Assignee
Ebm Papst Landshut 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 Ebm Papst Landshut GmbH filed Critical Ebm Papst Landshut GmbH
Publication of EP4012260A1 publication Critical patent/EP4012260A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air 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
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a combustion process of a gas boiler according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a gas boiler designed to carry out the method according to patent claim 14.
  • an ionization current control is used in the case of an electronic network.
  • a voltage is applied between an electrode positioned in a flame of the gas boiler and a surface of the gas boiler.
  • the current flow between the electrode and the surface is dependent on the combustion air ratio or gas number.
  • Charge carriers which are created during the combustion of fuels or fuel gases containing carbon, lead to a measurable ionization current that can be used to regulate the mixture in the gas boiler. If pure hydrogen is used as the fuel gas, the proportion of carbon required for the measurement is not present and mixture control using this variant is impossible.
  • broadband probes for measuring oxygen according to the Nernst method are also suitable for controlling the mixture.
  • a gas mixture is controlled in a fuel gas-powered heater, which is composed of a gas and a fuel gas.
  • the gas mixture is generated by providing and mixing a quantity of gas via a first actuator and a quantity of combustible gas via a second actuator.
  • a microthermal gas mixture sensor which detects at least one material property of the gas mixture, is charged with the gas mixture and continuously transmits a sensor signal that is dependent on the respective gas mixture to a control unit.
  • the control unit compares the detected sensor signal with a target value of the sensor signal and, if the detected sensor signal deviates from the target value of the sensor signal, controls at least one of the first and second actuators.
  • the gas mixture is adjusted by increasing or decreasing the amount of gas and/or increasing or decreasing the amount of combustible gas until the setpoint value of the sensor signal is reached.
  • the object of the invention is therefore to develop a method that enables safe, reliable and simple mixture control using hydrogen, in particular pure hydrogen, as fuel gas.
  • a modulation range is to be understood as the range between maximum and minimum burner output.
  • a gas comprises air as an essential component.
  • a continuous detection of a sensor is also understood to mean a technically conditioned quasi-continuous detection, with a quasi-continuous detection being a detection with high clocking, in the present application several times per second, in which the timing is selected to be much shorter compared to the inertia of the system to be detected.
  • a temperature corridor is to be understood as meaning a range between a first setpoint value for the temperature and a second setpoint value for the temperature.
  • the gas mixture is generated by providing and mixing a quantity of gas via a first actuator and a quantity of combustible gas via a second actuator, wherein at least a first sensor is charged with a partial flow of exhaust gas, wherein the first sensor continuously detects a thermal material property of the partial flow of exhaust gas, wherein the first sensor transmits a first sensor signal that is dependent on the partial exhaust gas flow to a control unit, wherein the partial exhaust gas flow is applied to at least one second sensor, wherein the second sensor continuously detects a temperature of the partial exhaust gas flow and wherein the second sensor transmits a second sensor signal that is dependent on the partial exhaust gas flow transmitted by the control unit.
  • the meaningfulness of the measurements of the first sensor can be improved, since the thermal material properties change with the temperature of the exhaust gas.
  • control unit compares the first sensor signal with a first setpoint value for the first sensor signal stored in the control unit and the control unit compares the second sensor signal with second setpoint values for the second sensor signal stored in the control unit. If the detected first sensor signal deviates from the target value, the control unit is activated at least one of the first and second actuators and the ratio of gas to fuel gas of the gas mixture is thereby changed until the measured first sensor signal corresponds to the stored first target value.
  • the temperature of the partial exhaust gas flow is regulated on the basis of the sensor signals from the second sensor in such a way that the temperature lies within a temperature corridor which is limited at the top by the operating temperatures of the two sensors and which is limited at the bottom by the dew point temperature of the partial exhaust gas flow. On the one hand, this can The service life of the sensors used can be improved, which enables lower maintenance and repair costs, and on the other hand it is possible to avoid water condensing out of the exhaust gas, which can improve the reliability of the measurement.
  • the temperature of the partial exhaust gas flow is regulated in a predetermined corridor, with an upper limit of the corridor being given by an upper operating temperature of the first sensor and/or the upper operating temperature of the second sensor, with a lower limit of the corridor being determined by the dew point temperature of the exhaust gas is given.
  • this can improve the service life of the sensors used, which enables lower maintenance and repair costs, and on the other hand, water can be prevented from condensing out of the exhaust gas, which can improve the reliability of the measurement.
  • the first actuator is designed as a blower and the second actuator as a fuel gas control valve. Using these devices, the composition of the mixture can be easily and quickly adapted to the given requirements.
  • the partial flow of exhaust gas is regulated by means of a throttle element.
  • a targeted discharge of the partial exhaust gas flow from the combustion chamber is necessary for an accurate measurement, the results of which can be improved in this way.
  • the first sensor and the second sensor form a sensor element.
  • the first and the second sensor form a unit that can be quickly exchanged for maintenance and/or repair.
  • ambient air is applied to the first sensor and the second sensor and the gas boiler is flushed with ambient air. This can improve the reliability of the measurements, since, for example, excess water vapor is transported out of the system.
  • thermal material properties of different ratios of gas to combustible gas are calculated in advance and assigned to these and stored as data values in the control unit, with the data value assigned to the desired ratio of gas to combustible gas being used in a control circuit as a setpoint value for the signal from the first sensor . In this way, rapid and reliable control of the gas heater can be made possible.
  • the fuel gas includes hydrogen. This enables ecological combustion and reduces the emission of greenhouse gases.
  • a clear ratio of fuel gas to gas is assigned to each measured value of the first sensor.
  • the unambiguous assignment can enable rapid regulation and low outlay when storing or processing the data.
  • the gas boiler according to the invention is provided for carrying out the method according to at least one of claims 1 to 12. With such a gas heater, optimal combustion can be achieved under different installation conditions and/or ambient conditions.
  • FIG 1 is a schematic representation of a basic structure of a gas boiler 100 for applying the method according to the invention.
  • Fuel gas 103 is in a with a Combustion gas safety valve 101 secured line to a second actuator 106 out.
  • the flow of the fuel gas 103 is regulated by means of a first actuator 102, which can be designed, for example, as a fuel gas control valve.
  • Combustion gas 103 and gas 104 are brought together and mixed to form the gas mixture 105 upstream of the actuator 106 .
  • Actuator 106 conveys the combustible gas mixture to the burner 113 where it is burned inside the combustion chamber 114 .
  • a heat exchanger 115 transfers the heat generated by the combustion process to a heating circuit, not shown in this figure.
  • a sensor element comprising a first sensor 108 for the thermal material property and a second sensor 109 for the temperature, uses the sensors 108, 109 to measure the thermal material properties and the temperature of the exhaust gas that is produced in the combustion chamber 114 from the combustion of the gas mixture 105 .
  • the data measured are transferred to a control unit 107 for controlling the gas boiler 100 .
  • a partial flow of exhaust gas 118 taken from the combustion chamber 114 flows around the sensors 108 , 109 . Partial exhaust gas flow 118 is extracted by means of an extraction line 110 located in the immediate vicinity of burner 113.
  • the pressure inside combustion chamber 114 is higher than downstream from sensors 108, 109.
  • Partial exhaust gas flow 118 is closed by a pressure difference between combustion chamber 114 and the environment the first sensor 108 and to the second sensor 109.
  • a throttle element 112 regulates the partial exhaust gas flow 118.
  • the temperature of the partial exhaust gas flow 118 at the first sensor 108 and the second sensor 109 is regulated by an exhaust gas cooler/exhaust gas heater 111.
  • the temperature of the partial exhaust gas flow 118 must move within a predetermined corridor. The maximum permissible temperature is determined by the upper operating temperature of the two sensors 108 and 109.
  • the lower temperature limit is the dew point temperature Partial exhaust gas stream 118, since water vapor condenses out when the temperature falls below the dew point, which would lead to an unwanted change in the composition of the partial exhaust gas stream 118, and would falsify measurements. Furthermore, a condensate drain 116 and a chimney pipe 117 are shown in this figure.

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Abstract

Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Gastherme 100, wobei ein Gasgemisch 105, umfassend ein Gas 104 und ein Brenngas 103, zu einem Abgas verbrannt wird,- wobei das Gasgemisch 105 erzeugt wird, indem über ein erstes Stellglied 106 eine Gasmenge und über ein zweites Stellglied 102 eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden,- wobei wenigstens ein erster Sensor 108 mit einem Abgasteilstrom 118 beaufschlagt wird,- wobei der erste Sensor 108 kontinuierlich eine thermische Stoffeigenschaft des Abgasteilstroms 118 erfasst- wobei der erste Sensor 108 ein von dem Abgasteilstrom 118 abhängiges erstes Sensorsignal an ein Steuergerät 107 übermittelt,- wobei wenigstens ein zweiter Sensor 109 mit dem Abgasteilstrom 118 beaufschlagt wird,- wobei der zweite Sensor 109 kontinuierlich eine Temperatur des Abgasteilstroms 118 erfasst und- wobei der zweite Sensor 109 ein von dem Abgasteilstrom 118 abhängiges zweites Sensorsignal an das Steuergerät 107 übermittelt. (Figur 1)A method for controlling a combustion process of a gas boiler 100, wherein a gas mixture 105, comprising a gas 104 and a fuel gas 103, is burned to form an exhaust gas, - wherein the gas mixture 105 is generated by a first actuator 106 and a quantity of gas via a second actuator 102, a quantity of fuel gas is provided and mixed,- wherein at least one first sensor 108 is acted upon by a partial exhaust-gas flow 118,- wherein the first sensor 108 continuously detects a thermal material property of the partial exhaust-gas flow 118- wherein the first sensor 108 generates a first sensor signal that is dependent on the partial exhaust-gas flow 118 to a control unit 107,- wherein at least one second sensor 109 is acted upon by partial exhaust gas flow 118,- wherein the second sensor 109 continuously records a temperature of partial exhaust gas flow 118, and- wherein the second sensor 109 transmits a second sensor signal dependent on partial exhaust gas flow 118 to the Control unit 107 transmitted. (figure 1)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Gastherme nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for controlling a combustion process of a gas boiler according to the preamble of patent claim 1.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gastherme ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens gemäß des Patentanspruchs 14.The invention also relates to a gas boiler designed to carry out the method according to patent claim 14.

Derzeit weit verbreitete Regelungsverfahren für Gas-LuftGemische von Gasthermen sind einerseits der pneumatische Verbund und andererseits der elektronische Verbund mittels Ionisationsstromregelung.Currently widely used control methods for gas-air mixtures in gas boilers are on the one hand the pneumatic compound and on the other hand the electronic compound using ionization current control.

Bei derartigen Regelungsverfahren wird im Falle eines elektronischen Verbunds eine Ionisationsstromregelung eingesetzt. Hierbei wird zwischen einer in einer Flamme der Gastherme positionierten Elektrode und einer Oberfläche der Gastherme eine Spannung angelegt. Der Stromfluss zwischen Elektrode und Oberfläche ist dabei abhängig von einer Verbrennungsluftzahl bzw. Gaszahl. Ladungsträger, die bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bzw. Brenngasen entstehen, führen zu einem messbaren Ionisationsstrom, der zu einer Gemischregelung der Gastherme genutzt werden kann. Bei einem Einsatz von reinem Wasserstoff als Brenngas ist ein für die Messung benötigter Kohlenstoffanteil nicht gegeben und eine Gemischregelung nach dieser Variante unmöglich.In such control methods, an ionization current control is used in the case of an electronic network. A voltage is applied between an electrode positioned in a flame of the gas boiler and a surface of the gas boiler. The current flow between the electrode and the surface is dependent on the combustion air ratio or gas number. Charge carriers, which are created during the combustion of fuels or fuel gases containing carbon, lead to a measurable ionization current that can be used to regulate the mixture in the gas boiler. If pure hydrogen is used as the fuel gas, the proportion of carbon required for the measurement is not present and mixture control using this variant is impossible.

Eine Gemischregelung im pneumatischen Verbund mit Wasserstoff als Brenngas erfordert die Gewährleistung einer gleichbleibenden Zusammensetzung des Brenngases, wenngleich bekannte Schwächen des pneumatischen Verbunds dennoch bestehen bleiben. Hierzu zählen beispielsweise ein eingeschränkter Modulationsbereich durch den quadratischen Zusammenhang zwischen Druck und Volumenstrom, sowie eine starke Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen.Mixture control in the pneumatic network with hydrogen as the fuel gas requires the guarantee of a constant composition of the fuel gas, even though the known weaknesses of the pneumatic network still remain. For this include, for example, a limited modulation range due to the quadratic relationship between pressure and volume flow, as well as a strong dependence on ambient conditions.

Bei der Verwendung von Wasserstoff eignen sich zur Gemischregelung weiterhin Breitbandsonden zur Messung von Sauerstoff nach dem Nernst-Verfahren.When using hydrogen, broadband probes for measuring oxygen according to the Nernst method are also suitable for controlling the mixture.

Auch sind Verfahren wie aus der DE 10 2019 101 189 A1 bekannt. Hier wird ein Gasgemisch bei einem brenngasbetriebenen Heizgerät geregelt, das sich aus einem Gas und einem Brenngas zusammensetzt. Das Gasgemisch wird erzeugt, indem über ein erstes Stellglied eine Gasmenge und über ein zweites Stellglied eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden. Ein mikrothermischer Gasgemischsensor, der mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches erfasst, wird mit dem Gasgemisch beaufschlagt und übermittelt kontinuierlich ein von dem jeweiligen Gasgemisch abhängiges Sensorsignal an ein Steuergerät. Das Steuergerät vergleicht das erfasste Sensorsignal mit einem Sollwert des Sensorsignals und steuert bei einer Abweichung des erfassten Sensorsignals mit dem Sollwert des Sensorsignals mindestens eines der ersten und zweiten Stellglieder an. Dadurch wird das Gasgemisch durch Erhöhung oder Verringerung der Gasmenge und/oder Erhöhung oder Verringerung der Brenngasmenge angepasst, bis der Sollwert des Sensorsignals erreicht ist.Also are procedures like from the DE 10 2019 101 189 A1 known. Here, a gas mixture is controlled in a fuel gas-powered heater, which is composed of a gas and a fuel gas. The gas mixture is generated by providing and mixing a quantity of gas via a first actuator and a quantity of combustible gas via a second actuator. A microthermal gas mixture sensor, which detects at least one material property of the gas mixture, is charged with the gas mixture and continuously transmits a sensor signal that is dependent on the respective gas mixture to a control unit. The control unit compares the detected sensor signal with a target value of the sensor signal and, if the detected sensor signal deviates from the target value of the sensor signal, controls at least one of the first and second actuators. As a result, the gas mixture is adjusted by increasing or decreasing the amount of gas and/or increasing or decreasing the amount of combustible gas until the setpoint value of the sensor signal is reached.

Nachteilig ist hierbei, dass im Falle eines Auskondensierens von Wasserdampf, die Messung des mikrothermischen Gasgemischsensors zu ungenauen Ergebnissen führt.The disadvantage here is that if water vapor condenses out, the measurement of the microthermal gas mixture sensor leads to inaccurate results.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, was eine sichere, zuverlässige und einfache Gemischregelung unter dem Einsatz von Wasserstoff, insbesondere reinem Wasserstoff als Brenngas ermöglicht.The object of the invention is therefore to develop a method that enables safe, reliable and simple mixture control using hydrogen, in particular pure hydrogen, as fuel gas.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 13 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 13 gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.This object is achieved on the basis of the preamble of patent claim 1 or 13 in conjunction with the characterizing features of patent claim 1 or 13. Advantageous and expedient developments are specified in the respective dependent claims.

Im Sinne der Erfindung ist unter einem Modulationsbereich der Bereich zwischen maximaler und minimaler Brennerleistung zu verstehen.For the purposes of the invention, a modulation range is to be understood as the range between maximum and minimum burner output.

Weiterhin umfasst im Sinne der Erfindung ein Gas als wesentlichen Bestandteil Luft. Weiterhin ist im Sinne der Erfindung unter einer kontinuierlichen Erfassung eines Sensors auch eine technisch bedingte quasi-kontinuierliche Erfassung zu verstehen, wobei unter einer quasi-kontinuierliche Erfassung, eine Erfassung mit hoher Taktung, in vorliegender Anwendung mehrfach je Sekunde, zu verstehen ist, bei welcher die Taktung wesentlich kürzer gegenüber der Trägheit des zu erfassenden Systems ausgewählt ist.Furthermore, within the meaning of the invention, a gas comprises air as an essential component. Furthermore, within the meaning of the invention, a continuous detection of a sensor is also understood to mean a technically conditioned quasi-continuous detection, with a quasi-continuous detection being a detection with high clocking, in the present application several times per second, in which the timing is selected to be much shorter compared to the inertia of the system to be detected.

Weiterhin ist im Sinne der Erfindung unter einem Temperatur-Korridor ein Bereich zwischen einem ersten Sollwert der Temperatur und einem zweiten Sollwert der Temperatur zu verstehen.Furthermore, within the meaning of the invention, a temperature corridor is to be understood as meaning a range between a first setpoint value for the temperature and a second setpoint value for the temperature.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Gastherme, bei welchem ein Gasgemisch, umfassend ein Gas und ein Brenngas, zu einem Abgas verbrannt wird, wird das Gasgemisch erzeugt, indem über ein erstes Stellglied eine Gasmenge und über ein zweites Stellglied eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden, wobei wenigstens ein erster Sensor mit einem Abgasteilstrom beaufschlagt wird, wobei der erste Sensor kontinuierlich eine thermische Stoffeigenschaft des Abgasteilstroms erfasst, wobei der erste Sensor ein von dem Abgasteilstrom abhängiges erstes Sensorsignal an ein Steuergerät übermittelt, wobei wenigstens ein zweiter Sensor mit dem Abgasteilstrom beaufschlagt wird, wobei der zweite Sensor kontinuierlich eine Temperatur des Abgasteilstroms erfasst und wobei der zweite Sensor ein von dem Abgasteilstrom abhängiges zweites Sensorsignal an das Steuergerät übermittelt. Hierdurch kann die Aussagekraft der Messungen des ersten Sensors verbessert werden, da sich die thermischen Stoffeigenschaften mit der Temperatur des Abgases verändern.In the method according to the invention for controlling a combustion process of a gas boiler, in which a gas mixture comprising a gas and a fuel gas to form an exhaust gas is burned, the gas mixture is generated by providing and mixing a quantity of gas via a first actuator and a quantity of combustible gas via a second actuator, wherein at least a first sensor is charged with a partial flow of exhaust gas, wherein the first sensor continuously detects a thermal material property of the partial flow of exhaust gas, wherein the first sensor transmits a first sensor signal that is dependent on the partial exhaust gas flow to a control unit, wherein the partial exhaust gas flow is applied to at least one second sensor, wherein the second sensor continuously detects a temperature of the partial exhaust gas flow and wherein the second sensor transmits a second sensor signal that is dependent on the partial exhaust gas flow transmitted by the control unit. As a result, the meaningfulness of the measurements of the first sensor can be improved, since the thermal material properties change with the temperature of the exhaust gas.

Weiterhin ist vorgesehen, dass das Steuergerät das erste Sensorsignal mit einem im Steuergerät gespeicherten ersten Sollwert für das erste Sensorsignal vergleicht und das Steuergerät das zweite Sensorsignal mit im Steuergerät gespeicherten zweiten Sollwerten für das zweite Sensorsignal vergleicht. Das Steuergerät wird bei einer Abweichung des erfassten ersten Sensorsignals von dem Sollwert wenigstens eines der ersten und zweiten Stellglieder angesteuert und dadurch das Verhältnis von Gas zu Brenngas des Gasgemisches geändert, bis das gemessene erste Sensorsignal dem gespeicherten ersten Sollwert entspricht. Die Temperatur des Abgasteilstroms wird auf der Basis der Sensorsignale des zweiten Sensors derart geregelt, dass die Temperatur in einem Temperaturkorridor liegt, welcher nach oben durch die Einsatztemperaturen der beiden Sensoren begrenzt ist und welcher nach unten durch die Taupunkttemperatur des Abgasteilstroms begrenzt ist. Einerseits kann dadurch die Lebensdauer der eingesetzten Sensoren verbessert werden, was geringere Wartungs- und Instandhaltungskosten ermöglicht, andererseits kann somit ein Auskondensieren von Wasser aus dem Abgas vermieden werden, was die Zuverlässigkeit der Messung verbessern kann.Furthermore, it is provided that the control unit compares the first sensor signal with a first setpoint value for the first sensor signal stored in the control unit and the control unit compares the second sensor signal with second setpoint values for the second sensor signal stored in the control unit. If the detected first sensor signal deviates from the target value, the control unit is activated at least one of the first and second actuators and the ratio of gas to fuel gas of the gas mixture is thereby changed until the measured first sensor signal corresponds to the stored first target value. The temperature of the partial exhaust gas flow is regulated on the basis of the sensor signals from the second sensor in such a way that the temperature lies within a temperature corridor which is limited at the top by the operating temperatures of the two sensors and which is limited at the bottom by the dew point temperature of the partial exhaust gas flow. On the one hand, this can The service life of the sensors used can be improved, which enables lower maintenance and repair costs, and on the other hand it is possible to avoid water condensing out of the exhaust gas, which can improve the reliability of the measurement.

Außerdem ist vorgesehen, dass die Temperatur des Abgasteilstroms in einen vorgegebenen Korridor geregelt wird, wobei eine obere Grenze des Korridors durch eine obere Einsatztemperatur des ersten Sensors und/oder der oberen Einsatztemperatur des zweiten Sensors gegeben ist, wobei eine untere Grenze des Korridors durch die Taupunkttemperatur des Abgases gegeben ist. Einerseits kann dadurch die Lebensdauer der eingesetzten Sensoren verbessert werden, was geringere Wartungs- und Instandhaltungskosten ermöglicht, andererseits kann somit ein Auskondensieren von Wasser aus dem Abgas vermieden werden, was die Zuverlässigkeit der Messung verbessern kann.It is also provided that the temperature of the partial exhaust gas flow is regulated in a predetermined corridor, with an upper limit of the corridor being given by an upper operating temperature of the first sensor and/or the upper operating temperature of the second sensor, with a lower limit of the corridor being determined by the dew point temperature of the exhaust gas is given. On the one hand, this can improve the service life of the sensors used, which enables lower maintenance and repair costs, and on the other hand, water can be prevented from condensing out of the exhaust gas, which can improve the reliability of the measurement.

Weiterhin ist vorgesehen, dass das erste Stellglied als ein Gebläse und das zweite Stellglied als ein Brenngasregelventil ausgebildet ist. Mittels dieser Geräte kann die Zusammensetzung des Gemischs einfach und schnell den gegebenen Erfordernissen angepasst werden.Furthermore, it is provided that the first actuator is designed as a blower and the second actuator as a fuel gas control valve. Using these devices, the composition of the mixture can be easily and quickly adapted to the given requirements.

Außerdem ist vorgesehen, dass der Abgasteilstrom im direkten Umfeld des Brenners entnommen wird. Hierdurch kann eine verbesserte Aussagekraft der Messungen über den Brennprozess ermöglicht werden.In addition, it is provided that the partial flow of exhaust gas is removed in the immediate vicinity of the burner. As a result, the measurements about the combustion process can be made more meaningful.

Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Druckgradient zwischen einem Bereich innerhalb der Brennkammer und einem Bereich stromab der Sensoren erzeugt wird, wobei mittels des Druckgradienten der Abgasteilstrom zu dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor gefördert wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass auf weitere Systeme zur Förderung des Abgasteilstroms verzichtet werden kann und Kosten bei der Herstellung eingespart werden können.Provision is also made for a pressure gradient to be generated between an area within the combustion chamber and an area downstream of the sensors, with the partial flow of exhaust gas being conveyed to the first sensor and the second sensor by means of the pressure gradient is promoted. This makes it possible to dispense with further systems for conveying the partial flow of exhaust gas and to save costs in production.

Außerdem ist vorgesehen, dass der Abgasteilstrom mittels eines Drosselelements reguliert wird. Ein gezieltes Ausleiten des Abgasteilstroms aus der Brennkammer ist für eine genaue Messung notwendig, deren Ergebnisse hierdurch verbessert werden können.In addition, it is provided that the partial flow of exhaust gas is regulated by means of a throttle element. A targeted discharge of the partial exhaust gas flow from the combustion chamber is necessary for an accurate measurement, the results of which can be improved in this way.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der erste Sensor und der zweite Sensor ein Sensorelement bilden. Hierdurch bilden der erste und der zweite Sensor eine Einheit, die zur Wartung und/oder Reparatur schnell getauscht werden kann.Furthermore, it is provided that the first sensor and the second sensor form a sensor element. As a result, the first and the second sensor form a unit that can be quickly exchanged for maintenance and/or repair.

Außerdem ist vorgesehen, dass vor der Inbetriebnahme der Gastherme an dem ersten Sensor und dem zweite Sensor Umgebungsluft angelegt wird und die Gastherme mit Umgebungsluft gespült wird. Dies kann die Zuverlässigkeit der Messungen verbessern, da beispielsweise überschüssiger Wasserdampf aus dem System herausbefördert wird.In addition, it is provided that before the gas boiler is put into operation, ambient air is applied to the first sensor and the second sensor and the gas boiler is flushed with ambient air. This can improve the reliability of the measurements, since, for example, excess water vapor is transported out of the system.

Weiterhin ist vorgesehen, dass thermische Stoffeigenschaften unterschiedlicher Verhältnisse von Gas zu Brenngas vorab berechnet und diesen zugeordnet als Datenwerte in dem Steuergerät hinterlegt werden, wobei der dem gewünschten Verhältnis von Gas zu Brenngas zugeordnete Datenwert in einem Regelkreis als Sollwert für das Signal des ersten Sensors verwendet wird. Hierdurch kann eine schnelle und zuverlässige Regelung der Gastherme ermöglicht werden.It is also provided that thermal material properties of different ratios of gas to combustible gas are calculated in advance and assigned to these and stored as data values in the control unit, with the data value assigned to the desired ratio of gas to combustible gas being used in a control circuit as a setpoint value for the signal from the first sensor . In this way, rapid and reliable control of the gas heater can be made possible.

Außerdem ist vorgesehen, dass das erste Stellglied und das zweite Stellglied bewegt werden, bis der gewünschte Sollwert des Signals des ersten Sensors erreicht wird. Hierdurch kann eine gewünschte Zusammensetzung des Gemisches schnell und über mögliche Veränderungen der Erfordernisse hinweg erreicht werden.Provision is also made for the first actuator and the second actuator to be moved until the desired setpoint value of the signal from the first sensor is reached. This allows a desired composition of the mixture can be achieved quickly and over possible changes in requirements.

Weiterhin ist vorgesehen, dass das Brenngas Wasserstoff umfasst. Hierdurch kann eine ökologische Verbrennung ermöglicht werden, und der Ausstoß von Treibhausgasen verringert werden.Furthermore, it is provided that the fuel gas includes hydrogen. This enables ecological combustion and reduces the emission of greenhouse gases.

Außerdem ist vorgesehen, dass bei einer konstanten Temperatur des Abgasteilstroms einem jeden Messwert des ersten Sensors ein eindeutiges Verhältnis von Brenngas zu Gas zugeordnet wird. Die eindeutige Zuordnung kann eine schnelle Regelung und einen geringen Aufwand bei der Datenspeicherung bzw. Verarbeitung ermöglichen.It is also provided that, given a constant temperature of the partial exhaust gas flow, a clear ratio of fuel gas to gas is assigned to each measured value of the first sensor. The unambiguous assignment can enable rapid regulation and low outlay when storing or processing the data.

Die erfindungsgemäße Gastherme ist zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 vorgesehen. Durch eine derartige Gastherme kann eine optimale Verbrennung bei unterschiedlichen Einbaubedingungen und/oder Umgebungsbedingungen erreicht werden.The gas boiler according to the invention is provided for carrying out the method according to at least one of claims 1 to 12. With such a gas heater, optimal combustion can be achieved under different installation conditions and/or ambient conditions.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden unter Zuhilfenahme der Figuren anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.Further details of the invention are described with the aid of the figures on the basis of exemplary embodiments shown schematically.

Hierbei zeigt:

Figur 1
eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eine Gastherme die zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
This shows:
figure 1
a schematic representation of a basic structure of a gas boiler for the application of the method according to the invention.

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus einer Gastherme 100 zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Brenngas 103 wird in einer mit einem Brenngassicherheitsventil 101 gesicherten Leitung zu einem zweiten Stellglied 106 geführt. Geregelt wird der Durchfluss des Brenngases 103 mittels eines ersten Stellgliedes 102, das beispielsweise als ein Brenngasregelventil ausgebildet sein kann. Stromauf des Stellglieds 106 werden Brenngas 103 und Gas 104 zum Gasgemisch 105 zusammengeführt und gemischt. Stellglied 106 fördert das Brenngasgemisch zum Brenner 113 wo es im Inneren der Brennkammer 114 verbrannt wird. Ein Wärmeüberträger 115 überträgt die durch den Verbrennungsprozess entstehende Wärme an einen in dieser Figur nicht dargestellten Heizkreislauf. Ein Sensorelement, umfassend einen ersten Sensor 108 für die thermische Stoffeigenschaft und einen zweiten Sensor 109 für die Temperatur, misst mittels der Sensoren 108, 109 die thermischen Stoffeigenschaften und die Temperatur des Abgases, das in der Brennkammer 114 aus der Verbrennung von dem Gasgemisch 105 entsteht. Die gemessenen Daten werden an ein Steuergerät 107 zur Regelung der Gastherme 100 übergeben. Die Sensoren 108, 109 werden von einem aus der Brennkammer 114 entnommenen Abgasteilstrom 118 umströmt. Die Entnahme des Abgasteilstroms 118 erfolgt mittels einer sich im direkten Umfeld des Brenners 113 befindenden Entnahmeleitung 110. Im Inneren der Brennkammer 114 herrscht ein höherer Druck, als stromab der Sensoren 108, 109. Der Abgasteilstrom 118 wird durch eine Druckdifferenz zwischen Brennkammer 114 und Umgebung zu dem ersten Sensor 108 und zu dem zweiten Sensor 109 gefördert. Ein Drosselelement 112 reguliert den Abgasteilstrom 118. Durch einen Abgaskühler/Abgasheizer 111 wird die Temperatur des Abgasteilstroms 118 an dem ersten Sensor 108 und dem zweiten Sensor 109 reguliert. Die Temperatur des Abgasteilstroms 118 muss sich dabei in einem vorgegebenen Korridor bewegen. Die zulässige Höchsttemperatur wird von der oberen Einsatztemperatur der beiden Sensoren 108 und 109 bestimmt. Die untere Temperaturgrenze bildet die Taupunkttemperatur des Abgasteilstroms 118, da bei einem Unterschreiten der Taupunkttemperatur Wasserdampf auskondensiert, was zu einer ungewollten Veränderung der Zusammensetzung des Abgasteilstroms 118 führen würde, und Messungen verfälschen würde. Weiterhin sind in dieser Figur ein Kondensatablauf 116, sowie ein Kaminrohr 117 dargestellt.In figure 1 is a schematic representation of a basic structure of a gas boiler 100 for applying the method according to the invention. Fuel gas 103 is in a with a Combustion gas safety valve 101 secured line to a second actuator 106 out. The flow of the fuel gas 103 is regulated by means of a first actuator 102, which can be designed, for example, as a fuel gas control valve. Combustion gas 103 and gas 104 are brought together and mixed to form the gas mixture 105 upstream of the actuator 106 . Actuator 106 conveys the combustible gas mixture to the burner 113 where it is burned inside the combustion chamber 114 . A heat exchanger 115 transfers the heat generated by the combustion process to a heating circuit, not shown in this figure. A sensor element, comprising a first sensor 108 for the thermal material property and a second sensor 109 for the temperature, uses the sensors 108, 109 to measure the thermal material properties and the temperature of the exhaust gas that is produced in the combustion chamber 114 from the combustion of the gas mixture 105 . The data measured are transferred to a control unit 107 for controlling the gas boiler 100 . A partial flow of exhaust gas 118 taken from the combustion chamber 114 flows around the sensors 108 , 109 . Partial exhaust gas flow 118 is extracted by means of an extraction line 110 located in the immediate vicinity of burner 113. The pressure inside combustion chamber 114 is higher than downstream from sensors 108, 109. Partial exhaust gas flow 118 is closed by a pressure difference between combustion chamber 114 and the environment the first sensor 108 and to the second sensor 109. A throttle element 112 regulates the partial exhaust gas flow 118. The temperature of the partial exhaust gas flow 118 at the first sensor 108 and the second sensor 109 is regulated by an exhaust gas cooler/exhaust gas heater 111. The temperature of the partial exhaust gas flow 118 must move within a predetermined corridor. The maximum permissible temperature is determined by the upper operating temperature of the two sensors 108 and 109. The lower temperature limit is the dew point temperature Partial exhaust gas stream 118, since water vapor condenses out when the temperature falls below the dew point, which would lead to an unwanted change in the composition of the partial exhaust gas stream 118, and would falsify measurements. Furthermore, a condensate drain 116 and a chimney pipe 117 are shown in this figure.

Bezugszeichenliste:Reference list:

100100
Gasthermegas boiler
101101
Brenngassicherheitsventilfuel gas safety valve
102102
erstes Stellgliedfirst actuator
103103
Brenngasfuel gas
104104
Gasgas
105105
Gasgemischgas mixture
106106
zweites Stellgliedsecond actuator
107107
Steuergerätcontrol unit
108108
erster Sensor (k/a)first sensor (n/a)
109109
zweiter Sensor (T)second sensor (T)
110110
Entnahmeleitungsampling line
111111
Abgaskühler/AbgasheizerExhaust gas cooler/exhaust gas heater
112112
Drosselelementthrottle element
113113
Brennerburner
114114
Brennkammercombustion chamber
115115
Wärmeüberträgerheat exchanger
116116
Kondensatablaufcondensate drain
117117
Kaminrohrchimney pipe
118118
Abgasteilstromexhaust partial flow

Claims (13)

Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Gastherme (100), wobei ein Gasgemisch (105), umfassend ein Gas (104) und ein Brenngas (103), zu einem Abgas verbrannt wird, - wobei das Gasgemisch (105) erzeugt wird, indem über ein erstes Stellglied (106) eine Gasmenge und über ein zweites Stellglied (102) eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden, - wobei wenigstens ein erster Sensor (108) mit einem Abgasteilstrom (118) beaufschlagt wird, - wobei der erste Sensor (108) kontinuierlich eine thermische Stoffeigenschaft des Abgasteilstroms (118) erfasst, - wobei der erste Sensor (108) ein von dem Abgasteilstrom (118) abhängiges erstes Sensorsignal an ein Steuergerät übermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass - wenigstens ein zweiter Sensor (109) mit dem Abgasteilstrom (118) beaufschlagt wird, - wobei der zweite Sensor (109) kontinuierlich eine Temperatur des Abgasteilstroms (118) erfasst und - wobei der zweite Sensor (109) ein von dem Abgasteilstrom (118) abhängiges zweites Sensorsignal an das Steuergerät (107) übermittelt. Method for controlling a combustion process of a gas boiler (100), wherein a gas mixture (105), comprising a gas (104) and a fuel gas (103), is burned to form an exhaust gas, - wherein the gas mixture (105) is generated by providing and mixing a quantity of gas via a first actuator (106) and a quantity of fuel gas via a second actuator (102), - wherein at least one first sensor (108) is acted upon by a partial exhaust gas flow (118), - wherein the first sensor (108) continuously detects a thermal material property of the partial exhaust gas flow (118), - wherein the first sensor (108) transmits a first sensor signal dependent on the partial exhaust gas flow (118) to a control unit, characterized in that - at least one second sensor (109) is acted upon by the partial exhaust gas flow (118), - Wherein the second sensor (109) continuously detects a temperature of the partial exhaust gas flow (118) and - Wherein the second sensor (109) transmits a second sensor signal which is dependent on the exhaust gas partial flow (118) to the control unit (107). Verfahren nach Anspruch 1 - wobei das Steuergerät (107) das erste Sensorsignal mit einem im Steuergerät (107) gespeicherten ersten Sollwert für das erste Sensorsignal vergleicht und das Steuergerät (107) das zweite Sensorsignal mit im Steuergerät (107) gespeicherten zweiten Sollwerten für das zweite Sensorsignal vergleicht, - wobei das Steuergerät (107) bei einer Abweichung des erfassten ersten Sensorsignals von dem Sollwert wenigstens eines der ersten und zweiten Stellglieder (102, 106) ansteuert und dadurch das Verhältnis von Gas (104) zu Brenngas (103) des Gasgemisches (105) ändert, bis das gemessene erste Sensorsignal dem gespeicherten ersten Sollwert entspricht und - wobei die Temperatur des Abgasteilstroms (118) auf der Basis der Sensorsignale des zweiten Sensors (109) derart geregelt wird, dass die Temperatur in einem Temperatur-Korridor liegt, welcher nach oben durch die Einsatztemperaturen der beiden Sensoren (108, 109) begrenzt ist und welcher nach unten durch die Taupunkttemperatur des Abgasteilstroms (118) begrenzt ist. Method according to claim 1 - Wherein the control unit (107) compares the first sensor signal with a first setpoint value for the first sensor signal stored in the control unit (107) and the control unit (107) compares the second sensor signal with im Control unit (107) compares stored second setpoint values for the second sensor signal, - wherein the control unit (107) controls at least one of the first and second actuators (102, 106) if the detected first sensor signal deviates from the setpoint value and thereby changes the ratio of gas (104) to fuel gas (103) of the gas mixture (105). , until the measured first sensor signal corresponds to the stored first desired value and - The temperature of the partial exhaust gas flow (118) being controlled on the basis of the sensor signals of the second sensor (109) in such a way that the temperature is in a temperature corridor which is limited at the top by the operating temperatures of the two sensors (108, 109). and which is limited below by the dew point temperature of the partial exhaust gas flow (118). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (106) als ein Gebläse und das zweite Stellglied (102) als ein Brenngasregelventil ausgebildet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first actuator (106) is designed as a blower and the second actuator (102) as a fuel gas control valve. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasteilstrom (118) im direkten Umfeld des Brenners (113) entnommen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial exhaust gas flow (118) is removed in the immediate vicinity of the burner (113). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgradient zwischen einem Bereich innerhalb der Brennkammer (114) und einem Bereich stromab der Sensoren (108, 109) erzeugt wird, wobei mittels des Druckgradienten der Abgasteilstrom (118) zu dem ersten Sensor (108) und dem zweiten Sensor (109) gefördert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a pressure gradient is generated between an area within the combustion chamber (114) and an area downstream of the sensors (108, 109), the exhaust gas partial flow (118) being conveyed to the first sensor ( 108) and the second sensor (109). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasteilstrom (118) mittels eines Drosselelements (112) reguliert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial exhaust gas flow (118) is regulated by means of a throttle element (112). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (108) und der zweite Sensor (109) ein Sensorelement bilden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first sensor (108) and the second sensor (109) form a sensor element. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Inbetriebnahme der Gastherme (100) an dem ersten Sensor (108) und dem zweite Sensor (109) Umgebungsluft angelegt wird und die Gastherme (100) mit Umgebungsluft gespült wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the gas heater (100) is put into operation, ambient air is applied to the first sensor (108) and the second sensor (109) and the gas heater (100) is flushed with ambient air. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass thermische Stoffeigenschaften unterschiedlicher Verhältnisse von Gas (104) zu Brenngas (103) vorab berechnet und diesen zugeordnet als Datenwerte in dem Steuergerät (107) hinterlegt werden, wobei der dem gewünschten Verhältnis von Gas (104) zu Brenngas (103) zugeordnete Datenwert in einem Regelkreis als Sollwert für das Signal des ersten Sensors (108) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that thermal material properties of different ratios of gas (104) to fuel gas (103) are calculated in advance and assigned to these and stored as data values in the control unit (107), the desired ratio of gas (104 ) to combustible gas (103) associated data value is used in a control loop as a setpoint for the signal of the first sensor (108). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (102) und das zweite Stellglied (106) bewegt werden, bis der gewünschte Sollwert des Signals des ersten Sensors (108) erreicht wird.Method according to one of the preceding claims , characterized in that the first actuator (102) and the second actuator (106) are moved until the desired setpoint value of the signal from the first sensor (108) is reached. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas (103) Wasserstoff umfasst.Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fuel gas (103) comprises hydrogen. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer konstanten Temperatur des Abgasteilstroms (118) einem jeden Messwert des ersten Sensors (108) ein eindeutiges Verhältnis von Brenngas (103) zu Gas (104) zugeordnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at a constant temperature of the partial exhaust gas flow (118) a clear ratio of fuel gas (103) to gas (104) is assigned to each measured value of the first sensor (108). Gastherme, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.Gas heater, characterized in that it is designed to carry out the method according to at least one of the preceding claims.
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