EP4071408B1 - Verfahren und anordnung zur beobachtung von flammen in einem verbrennungsraum eines heizgerätes, das mit wasserstoff oder wasserstoffhaltigem brenngas betreibbar ist - Google Patents

Verfahren und anordnung zur beobachtung von flammen in einem verbrennungsraum eines heizgerätes, das mit wasserstoff oder wasserstoffhaltigem brenngas betreibbar ist Download PDF

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EP4071408B1
EP4071408B1 EP22162920.7A EP22162920A EP4071408B1 EP 4071408 B1 EP4071408 B1 EP 4071408B1 EP 22162920 A EP22162920 A EP 22162920A EP 4071408 B1 EP4071408 B1 EP 4071408B1
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EP
European Patent Office
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temperature
combustion chamber
flames
combustion
hydrogen
Prior art date
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Active
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EP22162920.7A
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French (fr)
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EP4071408C0 (de
EP4071408A1 (de
Inventor
Bodo Oerder
Arnold Wohlfeil
Jochen Grabe
Fabian Staab
Matthias Hopf
Michael Schumacher
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F23N5/022—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/08—Measuring temperature
    • F23N2225/16—Measuring temperature burner temperature

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for observing flames in a combustion chamber of a heater that can be operated with hydrogen and/or a hydrogen-containing fuel gas.
  • Hydrogen as a fuel gas or as an admixture to fuel gases is becoming increasingly important, and great efforts are being made to equip new or existing heating devices to operate with it. This is not just about large systems, but also about wall-mounted devices for heating water and generally about heating devices for heating buildings and/or providing warm water.
  • DE 10 2012 220526 B3 describes a method and an arrangement for observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater, wherein a temperature is measured at at least one measuring point in or on the combustion chamber, the temperature at the measuring point also being measured using a mathematical model from others measured at the heater or predetermined physical operating data is calculated, and the measured temperature is compared with the calculated one and, in the event of deviations above a threshold value, it is concluded that the flames have gone out.
  • the combustion of hydrogen differs from previously used fuel gases in several ways.
  • a hydrogen flame is almost invisible to the human eye, radiates less heat than flames generated with carbon-containing fuels, and different measuring systems are required than for heaters for fuels made from hydrocarbons.
  • the present invention is therefore particularly, but not only, suitable for heating devices that are operated with pure hydrogen or with fuel gas that consists of more than 50%, in particular more than 97%, hydrogen.
  • a flame monitor and/or control of combustion in a combustion chamber can therefore in principle also be carried out using temperature measurements. If the presence of a flame in a combustion chamber is monitored by means of at least one temperature sensor, its measured value is continuously or quasi-continuously forwarded to a control and regulation unit, the control and regulation unit monitoring the measured value and its behavior over time and comparing it with predefinable target ranges, and in the event of deviations
  • the fuel gas supply ends from one of the target ranges.
  • calibration data or characteristic maps can be stored or made available in the control and regulation unit, with which measured values and their time derivatives can be compared.
  • the temperature sensor measures an increase in temperature. If the flame goes out, a drop in temperature is measured. If the temperature reduction per unit of time exceeds a previous e.g. B. experimentally determined value, this is interpreted as the flame going out by the evaluation and control unit and the fuel gas valve is closed. When igniting the burner, the procedure is reversed. If there is no rapid increase in temperature at the temperature sensor after ignition, it can be concluded that there is a misfire. If the temperature rises at the expected rate, the ignition process is considered successful. Temperature monitoring can ensure that hydrogen is burned.
  • the combustion air ratio (lambda) relates the air mass actually available to the minimum air mass that is theoretically required for stoichiometrically complete combustion. Temperature monitoring with the function of a flame monitor can ensure that combustion occurs or that a shutdown occurs if the flame goes out.
  • the evaluations described require a certain limitation of the area of application in which the measured values can be reliably interpreted, which can limit the use of this technology in safety-relevant functions. It is not always possible to clearly interpret temperatures and/or their changes, especially when the operating conditions change (modulation of power, consumption of different amounts of heat per unit of time, restart after a shutdown, etc.) of the heater. So can e.g. B. a quick reduction in power or a quick An increase in heat dissipation through a heat exchanger could be incorrectly viewed as an extinguishment of the flames, which would trigger an immediate shutdown.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a method and an arrangement are to be created with which the ignition and/or the extinction of flames in a combustion chamber of a heater can be reliably detected under different or changing operating conditions.
  • a method contributes to this by observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater which is operated with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas, with a temperature being measured at at least one measuring point in or on the combustion chamber, the temperature at the measuring point also being used a mathematical model is calculated from other physical operating data measured or specified on the heater and the measured temperature and / or its temporal behavior is compared with the calculated one and, in the event of deviations above a threshold value, it is concluded that the flames have ignited or gone out.
  • the mathematical model calculates a theoretical temperature and/or a theoretical temperature curve that would have to be measured if all systems are functioning properly. The actual measured data is then compared with these. This allows (if the mathematical model is good enough and has enough information available to it, which is typically the case with modern heaters), among other things, a decision to be made as to whether flames have been ignited or extinguished, under practically all operating conditions and with great reliability. This makes it possible to create a robust flame detector for a wide modulation range of the heater's output and many different operating situations.
  • the model also allows monitoring or plausibility checks of measuring devices and signal paths. This means an additional gain in safety because it can be detected early if individual sensors fail, drift or deliver incorrect measured values. Deviations between the model and actually measured physical quantities that have not previously occurred under similar operating conditions can provide indications of errors.
  • the mathematical model takes into account the physical properties of the combustion chamber and parameters essential for combustion.
  • the combustion chamber more generally referred to as a warm cell, can be easily described with relatively few parameters due to a certain symmetry and homogeneity, which means that the temperature can be mapped as a function of these parameters.
  • the heat capacity of essential components of the combustion chamber (or an integral consideration thereof), the heat conduction and heat transfer coefficients are taken into account materials used and a temperature measurement system used are taken into account as physical properties. If heat is supplied to the combustion chamber through combustion, it heats up, although not only the gaseous contents of the combustion chamber, but also the heat absorption of walls, in particular a heat exchanger integrated there, and other components are taken into account. Their heat capacity and the speed with which heat transfers to these components (depending on heat transfer coefficients) are taken into account by the model.
  • the properties of a temperature sensor itself should also be taken into account, as a temperature sensor can be sluggish and respond to temperature changes with a delay. All properties of the combustion chamber are practically constant, so that the behavior of the combustion chamber when heat is supplied or removed can be described by stored maps (calculated and/or empirical values) or a few parameters.
  • the mathematical model also preferably takes into account the mass flows of air and fuel gas, the amount of energy that can be achieved from these mass flows by combustion per unit of time and the ambient temperature as operating data essential for combustion.
  • a modern heater has a lot of data available that can be used for the model.
  • the model requires information about how much air at what temperature and how much fuel gas at what temperature is supplied to the combustion chamber per unit of time.
  • the speed of a fan and the opening of a fuel gas valve can, for example, be suitable parameters for the respective mass flows.
  • the (heat) energy supplied to the combustion chamber per unit of time can then be calculated from the type of fuel gas and assuming complete combustion.
  • a suitable algorithm can specify the expected temperature (especially at the measuring point) as a function of the parameters supplied.
  • the difference between the measured temperature and the temperature calculated without combustion energy or the difference between their temporal behavior from the start of the heater is preferably formed and when a first threshold value is exceeded, it is concluded that flames have ignited and combustion energy has been released. Since the model could receive the information that an ignition has been triggered, but cannot calculate whether flames are actually formed, the model calculates the temperature when the heater starts without supplying combustion energy. The actual temperature must correspond to this as long as no flames have been ignited. If this is the case for too long, the fuel gas supply is stopped and the starting process may be repeated or an error message is issued.
  • the difference between the measured temperature and the temperature calculated with combustion energy or the difference between their temporal behavior after the heating device is started is formed and, if the temperature falls below a second predeterminable threshold value, it is concluded that the flames have gone out and the loss of combustion energy.
  • An arrangement for observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater which can be operated with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas, also contributes to solving the problem, with at least one Temperature sensor is present on or in the combustion chamber, which is connected to a control and regulation unit, a mathematical model of the combustion chamber with a temperature sensor being modeled in the control and regulation unit, the model containing operating data of the heater and data stored in the control and regulation unit physical variables of the combustion chamber and the temperature sensor can be supplied, the mathematical model taking into account physical properties of the combustion chamber and parameters essential for combustion, namely the heat capacity of essential components of the combustion chamber as well as the heat conduction and heat transfer coefficients of materials used and a temperature sensor used, and an evaluation logic being present is set up to determine from a temperature and/or its temporal behavior calculated by the mathematical model and a temperature measured by the temperature sensor or its temporal behavior whether the flames have been ignited and/or extinguished.
  • the evaluation logic can also take on more complex tasks than simply forming the difference between temperatures, e.g. B. create and compare temporal derivatives of the temperatures or compare characteristic patterns of the temperature progression from calculated and measured temperatures. In any case, the evaluation is more reliable than the evaluation of a merely measured absolute temperature or its behavior over time.
  • At least one fan speed, a mass flow of fuel gas and an ambient temperature can be supplied to the mathematical model as physical operating data essential for combustion.
  • Other measured variables can also be supplied that can provide the same information (mass flows of air and fuel gas, ambient temperature) through conversion.
  • the mathematical model can preferably be supplied with at least the data about a heat capacity of the combustion chamber and about an inertia of the temperature sensor.
  • the model can also work recursively, e.g. B. calculates the temperatures at various points in the combustion chamber and uses these temperatures as the starting value for the next calculation.
  • the measured temperature and the calculated temperature can be fed to the evaluation logic, and the evaluation logic is set up to function as a flame monitor in that if an expected ignition does not occur or the flames go out, a fuel gas valve can be switched off and/or a fault message can be triggered.
  • Another aspect also relates to a computer program product comprising instructions that cause the described arrangement to carry out the described method.
  • the evaluation of the data measured by the sensor, its further use in the heater and the mathematical model as well as the evaluation logic require a program and data in order to be able to carry out the function as a flame detector, although both must be updated occasionally.
  • the explanations of the process can be used to characterize the arrangement in more detail, and vice versa.
  • the arrangement can also be set up in such a way that the procedure is carried out with it.
  • Fig. 1 shows schematically a heater 1 designed for operation with hydrogen as fuel gas or with hydrogen-containing fuel gas.
  • the heater 1 has a fan 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
  • a control and regulation unit 7 is connected to the fan 2 and the fuel gas valve 5 via data lines 13, so that a mixture suitable for ignition and/or continuous operation is generated and the settings made for this (e.g. speed of the fan 2 and Opening of the fuel gas valve 5) can be reported back.
  • the temperature sensor 10 is also connected to the control and regulation unit 7 via a data line 13.
  • the combustion chamber 15 is surrounded by a housing 8, in which only indicated heat exchanger surfaces are located.
  • the resulting combustion gases are discharged into the environment via an exhaust system 9.
  • an ignition device 17 is present, which is connected to the control and regulation unit 7 by means of an ignition line 14.
  • a display 18 (which can also be elsewhere in the case of remote maintenance) provides information about the status of the heater 1.
  • the actually measured temperature TM is compared with this in an evaluation logic 12 and, in the event of strong deviations, it is concluded that the flames 16 have ignited or gone out.
  • the evaluation logic 12 can also process more detailed information and compare the temporal behavior TM ⁇ of the measured temperature with that of the calculated temperature TB ⁇ or the appearance of characteristic patterns in both and conclude from this the presence or extinction of flames 16.
  • a fault message S can be output, for example on the display 18.
  • the safety-relevant function of a flame monitor can be fulfilled with a signal "flame present yes/no".
  • the present invention makes it possible to reliably monitor the presence of flames 16 in the combustion chamber 15 with a temperature sensor 10 in a wide range of operating states of a heater 1.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beobachtung von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, das mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengungen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser. DE 10 2012 220526 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, wobei eine Temperatur an mindestens einer Messstelle in oder an dem Verbrennungsraum gemessen wird, wobei außerdem die Temperatur an der Messstelle anhand eines mathematischen Modells aus anderen an dem Heizgerät gemessenen oder vorgegebenen physikalischen Betriebsdaten berechnet wird, und wobei die gemessene Temperatur und mit der berechneten verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines Schwellwertes auf ein Erlöschen der Flammen geschlossen wird.
  • Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar, strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, und es werden andere Messsysteme benötigt als bei Heizgeräten für Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffen. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders, aber nicht nur geeignet für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 97% aus Wasserstoff besteht, betrieben werden.
  • In Heizgeräten werden bisher im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren für Temperatur, Licht- oder Wärme-Strahlung, Druck, Volumenstrom und dergleichen eingesetzt, um die Heizgeräte zu regeln und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten. Mit bisher üblicher Sensorik lassen sich jedoch bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas manche Messungen nicht zuverlässig durchführen. Eine wichtige Aufgabe ist das Feststellen des Vorhandenseins einer stabilen Flamme (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert).
  • Als Ersatz für bisher häufig verwendete lonisationsmessungen, die bei Wasserstoff als oder im Brenngas nicht oder weniger zuverlässig funktionieren, wurden schon Temperaturmessungen im oder am Verbrennungsraum vorgeschlagen, da sich beim Zünden und Erlöschen von Flammen charakteristische Temperaturänderungen zeigen. Ein Flammenwächter und/oder eine Regelung der Verbrennung in einem Verbrennungsraum können daher grundsätzlich auch mit Temperaturmessungen durchgeführt werden. Wird das Vorhandensein einer Flamme in einem Verbrennungsraum mittels mindestens eines Temperatursensors überwacht, wird dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Steuer- und Regeleinheit weitergeleitet, wobei die Steuer- 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 Steuer- 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.
  • Die beschriebenen Auswertungen erfordern allerdings eine gewisse Begrenzung des Anwendungsbereiches, in dem die Messwerte sicher interpretierbar sind, was den Einsatz dieser Technologie bei sicherheitsrelevanten Funktionen einschränken kann. Es ist nämlich nicht immer möglich, insbesondere bei sich ändernden Betriebsbedingungen (Modulation der Leistung, Abnahme unterschiedlicher Wärmemengen pro Zeiteinheit, Wiederstart nach einer Abschaltung etc.) des Heizgerätes, Temperaturen und/oder deren Änderungen eindeutig zu interpretieren. So kann z. B. eine schnelle Reduzierung der Leistung oder eine schnelle Zunahme der Wärmeabfuhr durch einen Wärmetauscher fälschlich als Erlöschen der Flammen angesehen werden, was eine sofortige Abschaltung auslösen würde.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Anordnung geschaffen werden, mit denen sich bei unterschiedlichen oder sich ändernden Betriebsbedingungen zuverlässig das Zünden und/oder das Erlöschen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes erkennen lässt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu trägt ein Verfahren bei zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben wird, wobei eine Temperatur an mindestens einer Messstelle in oder an dem Verbrennungsraum gemessen wird, wobei außerdem die Temperatur an der Messstelle anhand eines mathematischen Modells aus anderen an dem Heizgerät gemessenen oder vorgegebenen physikalischen Betriebsdaten berechnet wird und wobei die gemessene Temperatur und/oder deren zeitliches Verhalten mit der berechneten verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines Schwellwertes auf ein Zünden oder ein Erlöschen der Flammen geschlossen wird.
  • Statt charakteristische Verläufe einer gemessenen absoluten Temperatur oder von deren zeitlichem Verhalten zu identifizieren, berechnet das mathematische Modell eine theoretische Temperatur und/oder einen theoretischen Temperaturverlauf, die gemessen werden müssten, wenn alle Systeme ordnungsgemäß funktionieren. Mit diesen werden dann die tatsächlich gemessenen Daten verglichen. Dies erlaubt (sofern das mathematische Modell gut genug ist und ihm genügend Informationen zur Verfügung stehen, was bei modernen Heizgeräten typischerweise der Fall ist) ggf. unter anderem eine Entscheidung, ob Flammen gezündet oder erloschen sind, unter praktisch allen Betriebsbedingungen und mit großer Zuverlässigkeit. So lässt sich ein robuster Flammenwächter für einen weiten Modulationsbereich der Leistung des Heizgerätes und viele unterschiedliche Betriebssituationen realisieren. Außerdem erlaubt das Modell eine Kontrolle oder Plausibilitätsprüfung von Messgeräten und Signalwegen. Dies bedeutet einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn, weil frühzeitig erkannt werden kann, wenn einzelne Sensoren ausfallen, driften oder falsche Messwerte liefern. Abweichungen zwischen Modell und real gemessenen physikalischen Größen, die bei ähnlichen Betriebsbedingungen vorher nicht aufgetreten sind, können Hinweise auf Fehler liefern.
  • Das mathematische Modell berücksichtigt dabei die physikalischen Eigenschaften des Verbrennungsraumes und für die Verbrennung wesentliche Parameter. Der Verbrennungsraum, allgemeiner auch als Warmzelle bezeichnet, lässt sich wegen einer gewissen Symmetrie und Homogenität mit relativ wenigen Parametern schon gut beschreiben, wodurch die Temperatur als Funktion dieser Parameter abgebildet werden kann.
  • Dazu werden die Wärmekapazität wesentlicher Bauteile des Verbrennungsraumes (oder eine integrale Betrachtung davon), die Wärmeleitung und Wärmeübergangszahlen von verwendeten Materialien und eines verwendeten Temperaturmesssystems als physikalische Eigenschaften berücksichtigt. Wird dem Verbrennungsraum Wärme durch Verbrennung zugeführt, so heizt sich dieser auf, wobei jedoch nicht nur der gasförmige Inhalt des Verbrennungsraumes, sondern auch die Wärmeaufnahme von Wänden, insbesondere eines dort integrierten Wärmetauschers, und anderer Bauteile berücksichtigt werden. Deren Wärmekapazität und die Schnelligkeit, mit der Wärme in diese Bauteile übergeht (abhängig von Wärmeübergangszahlen), werden von dem Modell berücksichtigt. Auch die Eigenschaften eines Temperatursensors selbst sollten Beachtung finden, da ein Temperatursensor träge sein und verzögert auf Temperaturänderungen reagieren kann. Alle Eigenschaften des Verbrennungsraumes sind praktisch konstant, so dass das Verhalten des Verbrennungsraumes bei Wärmezufuhr oder -abfuhr durch gespeicherte Kennfelder (gerechnet und/oder Erfahrungswerte) oder wenige Parameter beschrieben werden kann.
  • Auch werden bevorzugt von dem mathematischen Modell die Massenströme an Luft und Brenngas, die aus diesen Massenströmen durch Verbrennung erzielbare Energiemenge pro Zeiteinheit und die Umgebungstemperatur als für die Verbrennung wesentliche Betriebsdaten berücksichtigt. Bei einem modernen Heizgerät stehen viele Daten zur Verfügung, von denen für das Modell benötigte genutzt werden können. Im Ergebnis benötigt das Modell die Information, wieviel Luft mit welcher Temperatur und wieviel Brenngas mit welcher Temperatur dem Verbrennungsraum jeweils pro Zeiteinheit zugeführt wird. Die Drehzahl eines Gebläses und die Öffnung eines Brenngasventils können beispielsweise geeignete Parameter für die jeweiligen Massenströme sein. Aus der Art des Brenngases und unter der Voraussetzung einer vollständigen Verbrennung kann dann die pro Zeiteinheit dem Verbrennungsraum zugeführte (Wärme-)Energie berechnet werden. Ein geeigneter Algorithmus kann die zu erwartende Temperatur (insbesondere an der Messstelle) als Funktion der zugeführten Parameter angeben.
  • Danach wird bevorzugt die Differenz aus gemessener Temperatur und ohne Verbrennungsenergie berechneter Temperatur oder die Differenz von deren zeitlichem Verhalten ab dem Start des Heizgerätes gebildet und bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes wird auf das Zünden von Flammen und Freisetzung von Verbrennungsenergie geschlossen. Da das Modell zwar die Information erhalten könnte, dass eine Zündung ausgelöst wurde, aber nicht berechnen kann, ob auch tatsächlich Flammen gebildet werden, berechnet das Modell beim Start des Heizgerätes die Temperatur ohne Zufuhr von Verbrennungsenergie. Die tatsächliche Temperatur muss dieser so lange entsprechen, wie keine Flammen gezündet wurden. Ist dies zu lange der Fall, so wird die Brenngaszufuhr gestoppt und evtl. der Startvorgang wiederholt oder eine Störmeldung abgegeben. Steigt die gemessene Temperatur aber auf charakteristische Weise über die berechnete, so ist dies ein sicherer Hinweis auf die korrekte Zündung von Flammen, so dass der Betrieb fortgesetzt (und das Modell auf Berechnung mit Verbrennungsenergie umgeschaltet werden) kann. Auch der umgekehrte Weg ist natürlich möglich, nämlich immer mit Verbrennungsenergie zu rechnen und zu erkennen, ob sich die gemessene Temperatur schnell genug auf den gerechneten Wert erhöht.
  • Entsprechend wird bevorzugt ab dem Zünden von Flammen die Differenz aus gemessener Temperatur und mit Verbrennungsenergie berechneter Temperatur oder die Differenz deren zeitlichem Verhalten nach dem Startvorgang des Heizgerätes gebildet und bei Unterschreiten eines zweiten vorgebbaren Schwellwertes auf Erlöschen von Flammen und Wegfall von Verbrennungsenergie geschlossen.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist, wobei mindestens ein Temperatursensor an oder in dem Verbrennungsraum vorhanden ist, der mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden ist, wobei in der Steuer- und Regeleinheit ein mathematisches Modell des Verbrennungsraumes mit Temperatursensor nachgebildet ist, wobei dem Modell Betriebsdaten des Heizgerätes und in der Steuer- und Regeleinheit gespeicherte physikalische Größen des Verbrennungsraumes und des Temperatursensors zuführbar sind, wobei das mathematische Modell physikalische Eigenschaften des Verbrennungsraumes und für die Verbrennung wesentliche Parameter berücksichtigt, nämlich die Wärmekapazität wesentlicher Bauteile des Verbrennungsraumes sowie die Wärmeleitung und Wärmeübergangszahlen von verwendeten Materialien und eines verwendeten Temperatursensors und wobei eine Bewertungslogik vorhanden ist, die eingerichtet ist, aus einer vom mathematischen Modell berechneten Temperatur und/oder deren zeitlichem Verhalten und einer vom Temperatursensor gemessenen Temperatur bzw. deren zeitlichem Verhalten zu ermitteln, ob eine Zündung und/oder ein Erlöschen der Flammen stattgefunden hat. Die Bewertungslogik kann auch komplexere Aufgaben als die reine Differenzbildung von Temperaturen übernehmen, z. B. zeitliche Ableitungen der Temperaturen bilden und vergleichen oder das Vergleichen von charakteristischen Mustern des Temperaturverlaufes jeweils aus berechneten und gemessenen Temperaturen. Jedenfalls aber ist die Bewertung zuverlässiger als die Bewertung einer nur gemessenen absoluten Temperatur bzw. deren zeitlichem Verhalten.
  • Insbesondere sind dem mathematischen Modell mindestens eine Gebläsedrehzahl, ein Massenstrom an Brenngas und eine Umgebungstemperatur als für die Verbrennung wesentliche physikalische Betriebsdaten zuführbar. Es können auch andere Messgrößen zugeführt werden, die die gleiche Information (Massenströme an Luft und Brenngas, Umgebungstemperatur) durch Umrechnung liefern können.
  • Außerdem sind dem mathematischen Modell bevorzugt mindestens die Daten über eine Wärmekapazität des Verbrennungsraumes und über eine Trägheit des Temperatursensors zuführbar. Das Modell kann auch rekursiv arbeiten, indem es in kurzen Zeitabständen z. B. die Temperaturen an verschiedenen Stellen des Verbrennungsraumes berechnet und für die nächste Berechnung diese Temperaturen als Ausgangswert nimmt.
  • In einer besonderen Ausführungsform sind der Bewertungslogik die gemessene Temperatur und die berechnete Temperatur zuführbar, und die Bewertungslogik ist für die Funktion eines Flammenwächters eingerichtet, indem bei Ausbleiben einer erwarteten Zündung oder einem Erlöschen der Flammen eine Abschaltung eines Brenngasventils und/oder eine Störmeldung auslösbar ist.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der vom Sensor gemessenen Daten, deren weitere Verwendung im Heizgerät und das mathematische Modell sowie die Bewertungslogik benötigen ein Programm und Daten, um die Funktion als Flammenwächter durchführen zu können, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    ein Heizgerät mit Temperatursensor und Steuer- und Regeleinheit und
    Fig. 2:
    den schematischen Aufbau einer Steuer- und Regeleinheit mit mathematischem Modell und Bewertungslogik.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein für den Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas oder mit wasserstoffhaltigem Brenngas ausgelegtes Heizgerät 1. 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 Steuer- und Regeleinheit 7 steht über Datenleitungen 13 mit dem Gebläse 2 und dem Brenngasventil 5 in Verbindung, so dass ein für eine Zündung und/oder einen Dauerbetrieb geeignetes Gemisch erzeugt und die dafür vorgenommenen Einstellungen (z. B. Drehzahl des Gebläses 2 und Öffnung des Brenngasventils 5) rückgemeldet werden können. Bei der Verbrennung dieses Gemisches in einem Verbrennungsraum 15 entstehen Flammen 16, deren Wirkung (und damit dessen Vorhandensein) anhand von mindestens einem Temperatursensor 10 an einer Messstelle 19 beobachtet wird. Der Temperatursensor 10 ist ebenfalls über eine Datenleitung 13 mit der Steuer- 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 Abgasanlage 9 an die Umgebung abgeleitet. Zum Zünden der Verbrennung ist eine Zündeinrichtung 17 vorhanden, die mittels einer Zündleitung 14 mit der Steuer- und Regeleinheit 7 verbunden ist. Eine Anzeige 18 (die bei einer Fernwartung auch an anderer Stelle sein kann) liefert Informationen über den Zustand des Heizgerätes 1.
  • Da eine zuverlässige Aussage über das Vorhandensein von Flammen 16 allein aufgrund der Messwerte des Temperatursensors 10 nicht unter allen Betriebsbedingungen möglich ist, weist die Steuer- und Regeleinheit 7, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, ein mathematisches Modell 11 auf, in dem (mittels eines geeigneten Algorithmus) eine Temperatur TB berechnet wird, die sich (theoretisch) unter Berücksichtigung von physikalischen Betriebsdaten PB am Temperatursensor 10 ergeben müsste. Mit dieser wird die tatsächlich gemessene Temperatur TM in einer Bewertungslogik 12 verglichen und bei starken Abweichungen auf ein Zünden bzw. Erlöschen der Flammen 16 geschlossen. Die Bewertungslogik 12 kann auch detailliertere Informationen verarbeiten und das zeitliche Verhalten TM` der gemessenen Temperatur mit dem der berechneten Temperatur TB` oder das Auftreten charakteristischer Muster in beiden vergleichen und daraus auf das Vorhandensein oder Erlöschen von Flammen 16 schließen. Wird ein Ausbleiben einer Zündung oder das Erlöschen von Flammen 16 erkannt, kann eine Störmeldung S ausgegeben werden, beispielsweise auf der Anzeige 18. Außerdem kann mit einem Signal "Flamme vorhanden ja/nein" die sicherheitsrelevante Funktion eines Flammenwächters erfüllt werden.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei einem breiten Spektrum an Betriebszuständen eines Heizgerätes 1 mit einem Temperatursensor 10 eine zuverlässige Überwachung des Vorhandenseins von Flammen 16 im Verbrennungsraum 15 zu verwirklichen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Gebläse
    3
    Brenner
    4
    Luftzufuhr
    5
    Brenngasventil
    6
    Brenngasversorgung
    7
    Steuer- und Regeleinheit
    8
    Gehäuse
    9
    Abgasanlage
    10
    Temperatursensor
    11
    Mathematisches Modell
    12
    Bewertungslogik
    13
    Datenleitungen
    14
    Zündleitung
    15
    Verbrennungsraum
    16
    Flammen
    17
    Zündeinrichtung
    18
    Anzeige
    19
    Messstelle
    PB
    physikalische Betriebsdaten
    TM
    gemessene Temperatur
    TM`
    zeitliches Verhalten der gemessenen Temperatur
    TB
    berechnete Temperatur
    TB`
    zeitliches Verhalten der berechneten Temperatur
    S
    Störmeldung

Claims (9)

  1. Verfahren zum Beobachten oder Überwachen von Flammen (16) in einem Verbrennungsraum (15) eines Heizgerätes (1), welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben wird, wobei eine Temperatur (TM) an mindestens einer Messstelle (19) in oder an dem Verbrennungsraum (15) gemessen wird, wobei außerdem die Temperatur (TB) an der Messstelle (19) anhand eines mathematischen Modells (11) aus anderen an dem Heizgerät (1) gemessenen oder vorgegebenen physikalischen Betriebsdaten (PB) berechnet wird, und wobei die gemessene Temperatur (TM) und/oder deren zeitliches Verhalten (TM') mit der berechneten (TB, TB') verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines Schwellwertes auf ein Zünden oder ein Erlöschen der Flammen (16) geschlossen wird und wobei das mathematische Modell (11) physikalische Eigenschaften des Verbrennungsraumes (15) und für die Verbrennung wesentliche Parameter berücksichtigt, nämlich die Wärmekapazität wesentlicher Bauteile des Verbrennungsraumes (15) sowie die Wärmeleitung und Wärmeübergangszahlen von verwendeten Materialien und eines verwendeten Temperatursensors (10).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Massenströme an Luft und Brenngas, die aus diesen Massenströmen durch Verbrennung erzielbare Energiemenge pro Zeiteinheit und eine Umgebungstemperatur als für die Verbrennung wesentliche Parameter berücksichtigt werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Differenz aus gemessener Temperatur (TM) und ohne Verbrennungsenergie berechneter Temperatur (TB) oder von deren zeitlichem Verhalten (TM', TB') ab einem Start des Heizgerätes (1) gebildet und bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes auf das Zünden von Flammen (16) und Freisetzung von Verbrennungsenergie geschlossen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ab dem Zünden von Flammen (16) die Differenz aus gemessener Temperatur (TM) und mit Verbrennungsenergie berechneter Temperatur (TB) oder deren zeitlichem Verhalten (TM', TB') ab einem Start des Heizgerätes (1) gebildet und bei Unterschreiten eines zweiten vorgebbaren Schwellwertes auf Erlöschen von Flammen (16) und Wegfall von Verbrennungsenergie geschlossen wird.
  5. Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen (16) in einem Verbrennungsraum (15) eines Heizgerätes (1), welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist, wobei mindestens ein Temperatursensor (10) an oder in dem Verbrennungsraum (15) vorhanden ist, der mit einer Steuer- und Regeleinheit (7) verbunden ist, wobei in der Steuer- und Regeleinheit (7) ein mathematisches Modell (11) des Verbrennungsraumes (15) mit Temperatursensor (10) nachgebildet ist, wobei dem Modell (11) physikalische Betriebsdaten (PB) des Heizgerätes (1) und in der Steuer- und Regeleinheit (7) gespeicherte physikalische Größen des Verbrennungsraumes (15), nämlich die Wärmekapazität wesentlicher Bauteile des Verbrennungsraumes (15) sowie die Wärmeleitung und Wärmeübergangszahlen von verwendeten Materialien und des verwendeten Temperatursensors (10) zuführbar sind und wobei eine Bewertungslogik (12) vorhanden ist, die eingerichtet ist, aus einer vom mathematischen Modell (11) berechneten Temperatur (TB) und/oder deren zeitlichem Verhalten (TB') und einer vom Temperatursensor (10) gemessenen Temperatur (TM) bzw. deren zeitlichem Verhalten (TM') zu ermitteln, ob eine Zündung und/oder ein Erlöschen der Flammen (16) stattgefunden hat.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei dem mathematischen Modell (11) mindestens eine Gebläsedrehzahl, ein Massenstrom an Brenngas und eine Umgebungstemperatur als für die Verbrennung wesentliche physikalische Betriebsdaten zuführbar sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei dem mathematischen Modell (11) mindestens Daten über eine Wärmekapazität des Verbrennungsraumes (15) und über eine Trägheit des Temperatursensors (10) zuführbar sind.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Bewertungslogik (12) die gemessene Temperatur (TM) und die berechnete Temperatur (TB) zuführbar sind und die Bewertungslogik (12) für die Funktion eines Flammenwächters eingerichtet ist, indem bei Ausbleiben einer erwarteten Zündung oder einem Erlöschen der Flammen (16) eine Abschaltung eines Brenngasventils (5) auslösbar ist.
  9. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.
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