Verbrennungsprozess vorgesehener Brenngase mit

unterschiedlich hohen Energiegehalten 5

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterscheidung zweier für einen Verbrennungsprozess vorgesehener Brenngase mit unterschiedlich hohen Energiegehalten gemäß dem Titel des Pa- tentanspruchs 1. 10

Ein Verfahren zur Unterscheidung zweier für einen Verbrennungsprozess vorgesehener Brenngase mit unterschiedlich hohen Energiegehalten wurde bereits für die Unterscheidung zweier Gasarten (zum Beispiel E-Gas und LL-Gas ) und damit verbunden 15 für die selbsttätige Anpassung einer gasartenspezifischen Einstellung der Verbrennungseinrichtung entwickelt. Dieses Verfahren ist unter der Bezeichnung "Lambda Pro Control" bekannt (siehe hierzu auch http://www.viessmann.ch/de/flash/animation _lambda_pro.html) und funktioniert wie folgt: 20

Ausgangssituation der folgenden Erläuterung sei, dass ein Gebläsebrenner eines Heizkessels mit E-Gas betrieben wird. Die Gasarmatur des Heizkessels ist für einen optimalen Verbrennungsprozess so eingestellt, dass die sich dabei ergebende 25 Luftzahl λ=1,3 (siehe hierzu auch https://de.wikipedia.Org/w/ index . php?title=Verbrennungsluftverh%C3%A41tnis&oldid=

137952630) beträgt, d. h. die Verbrennung findet bei Luftüber- schuss statt. Über eine so genannte Ionisationselektrode wird das sich bei dieser Verbrennung ergebende Ionisationssignal bzw. der sich ergebende Ionisationsstrom erfasst.

Würde dem Heizkessel statt des E-Gases nunmehr LL-Gas, das einen niedrigeren Energiegehalt als das E-Gas aufweist, zuge- 5 führt, so ergibt sich daraus eine Zunahme der Luftzahl und eine Absenkung des Ionisationssignals, was von der "Lambda Pro Control " -Regelung erfasst und in ein Steuersignal für die Gasarmatur umgesetzt wird, und zwar insofern, als dass diese weiter geöffnet wird und insofern mehr Gas zum Brenner strömen 10 kann. Dies wiederum führt zu einer Abnahme der Luftzahl auf den angestrebten Wert von 1,3 und einer Zunahme des Ionisationssignals .

Wird nunmehr wieder von LL-Gas auf E-Gas zurückgeschaltet, 15 führt dies umgekehrt zu einer Erniedrigung der Luftzahl und einer Erhöhung des Ionisationssignals. Auf diese Änderungen reagiert die "Lambda Pro Control "-Regelung, in dem sie über die Gasarmatur die Gaszufuhr zum Brenner reduziert.

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Die "Lambda Pro Control " -Regelung ist somit grundsätzlich in der Lage, zwei Brenngase mit unterschiedlich hohen Energiegehalten zu unterscheiden.

Wichtig zu beachten ist dabei allerdings, dass die genannten 25 Brenngase E-Gas und LL-Gas zur gleichen Gasfamilie (siehe hierzu auch https : //de.wikipedia . org/w/index . php?title=Gasfa- milie&oldid=53112274 ) gehören. Charakteristisch für diese beiden Brenngase ist, dass ihr so genannter Wobbe-Wert bzw. Wobbe-Index (siehe hierzu auch https : //de.wikipedia. org/w/in- 30 dex.php?title=Wobbeindex&oldid=127370024 ) etwa 35 bis 55 MJ/m ³ beträgt .

Würde man beim oben genannten Brenner mit der "Lambda Pro Con- trol " -Regelung nunmehr die Gasfamilie wechseln, diesem also 5 nicht mehr Erdgas (zum Beispiel E-Gas oder LL-Gas ) , sondern Flüssiggas (zum Beispiel Propangas) zuführen, so wäre die "Lambda Pro Control " -Regelung nicht mehr in der Lage, diesen Wechsel richtig zu erkennen, da das Ionisationssignal aufgrund des deutlich höheren Energiegehaltes des Flüssiggases (Wobbe- 10 Wert etwa zwischen 70 und 90 MJ/m ³ ) einen Wert annimmt, der bei Erdgasen typischer Weise dann vorkommt, wenn die dem Ver- brennungsprozess zugeführte Luft zum Beispiel durch Staub oder dergleichen verschmutzt ist.

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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei dem bei laufendem Betrieb des Brenners Brenngase unterschiedlicher Gasfamilien sicher voneinander unterschieden werden können. 20

Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Schritte gelöst.

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Nach der Erfindung ist also zur Unterscheidung zweier für einen Verbrennungsprozess vorgesehener, unterschiedlicher Gasfamilien die Durchführung folgender Schritte vorgesehen: a) Zunächst wird eines der beiden Gase für den Verbren- nungsprozess in einem überstöchiometrischen Verhältnis mit Luft vermischt (es ist also mehr Luft vorhanden, als für die Verbrennung tatsächlich benötigt wird) ;

b) Dann wird der Verbrennungsprozess gestartet und aus- 5 gehend von dem überstöchiometrischen Verhältnis ein sich dabei ergebendes Ionisationssignal erfasst;

c) Anschließend wird das Verhältnis von Gas und Luft solange in Richtung Stöchiometriepunkt verändert, bis das Ionisationssignal einen Maximalwert erreicht; 10 d) Das sich beim Maximalwert ergebende Verhältnis von Gas

und Luft wird als Referenzverhältnis erfasst;

e) Anschließend wird das Verhältnis von Gas und Luft solange über den Stöchiometriepunkt hinaus verändert, bis das Ionisationssignal auf einen vorbestimmten, unterhalb des 15 Maximalwertes liegenden Wert abfällt;

f) Anschließend wird das Verhältnis von Gas und Luft wieder

in Richtung Stöchiometriepunkt bis zum Referenzverhältnis verändert, wobei die sich dabei einstellenden Werte des Ionisationssignals währenddessen mathematisch ver- 20 rechnet, insbesondere summiert oder integriert, werden;

g) Ein oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes liegender

Verrechnungswert , insbesondere Summenwert oder Integrationswert, des Ionisationssignals wird als Erkennung eines Brenngases mit höherem und ein unterhalb des 25 Grenzwertes liegender Verrechnungswert, insbesondere Summenwert oder Integrationswert, als Erkennung eines Brenngases mit niedrigerem Energiegehalt bewertet.

Der im Schritt c) genannte Stöchiometriepunkt, den man auch 30 ( siehe https : //de .wikipedia . org/w/index . php?title=Verbrennungs luftverh%C3%A41tnis&oldid=139331669 ) stöchiometrisches Ver- brennungsluftverhältnis nennen kann, liegt dabei dann vor, wenn wenn alle Brennstoff-Moleküle mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Kraftstoff übrig bleibt. Das im Schritt d) genannte Referenzver- 5 hältnis entspricht dabei letztlich einem Öffnungsgrad der Gasarmatur. Der im Schritt f) verwendete Begriff "währenddessen" bedeutet, dass der Verrechnungswert , insbesondere der Summenwert oder Integrationswert, gleichzeitig mit der Reduktion der Gaszufuhr bis zum Referenzverhältnis gebildet wird. 10

Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteil- 15 haften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt schematisch 20

Figur 1 einen Heizkessel mit einem Brenner, dem ein Gebläse

und eine Gasarmatur vorgeschaltet sind; und

Figur 2 den erfindungsgemäßen Ablauf der Gasfamilienerkennung. 25

Die Verbrennung von Erdgas oder Flüssiggas findet über eine Vielzahl von Einzelreaktionen statt, bis letzten Endes die Hauptprodukte Kohlendioxid und Wasser gebildet werden. Ein Teil dieser Einzelreaktionen bildet elektrisch geladene Teil- 30 chen (so genannte Ionen), wodurch ein elektrischer Widerstand einer Flamme messbar ist. Dieser elektrische Widerstand ist in seiner Höhe abhängig von der Dichte der Ionen. Luftüberschuss bei der Verbrennung bedeutet eine Verringerung dieser Dichte der Ionen ( λ>1), genauso wie die Verbrennung unter Luftmangel 5 ( λ<1). Die höchste Leitfähigkeit ist stets genau im Stöchome- triepunkt ( λ=1) vorhanden, also wenn gerade soviel Luft zur Verfügung steht, wie für die Verbrennung erforderlich ist.

Die Gase Methan (Hauptbestandteil der Erdgase) und Propan 10 (Hauptbestandteil der Flüssiggase) unterscheiden sich, wie bereits erläutert, sehr in Bezug auf ihren Energiegehalt. Der Heizwert bzw. Wobbe-Wert von Methan liegt bei etwa 35 MJ/m ³ , der von Propan bei 90 MJ/m ³ .

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Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in Figur 1 zunächst ein Heizkessel mit einem Brenner 2 (so genannter Matrix-Brenner - siehe hierzu: http://www.heizung.de/de/lexikon/k_bis_o/ matrix-strahlungsbrenner.html) schematisch dargestellt, dem eine Gasarmatur 3 und ein Gebläse 4 vorgeschaltet sind. Außer- 20 dem weist dieser Heizkessel eine Ionisationselektrode 1 auf, die über eine Ionisationssignalleitung 8 mit einer Regelung 5 des Heizkessels verbunden ist. Die Regelung 5 ist darüber hinaus über eine Steuerleitung 6 mit der Gasarmatur 3 und über eine Steuerleitung 7 mit dem Gebläse 4 verbunden. Dem Brenner 25 2 wird über die Gasarmatur 3 Gas und über das Gebläse 4 Luft zugeführt. Die Vermischung von Gas und Luft findet kurz nach dem Ausgang des Gebläses und somit vor dem Eintritt in den Brenner 2 statt.

30 Das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterscheidung zweier für einen Verbrennungsprozess vorgesehener Brenngase mit unterschiedlich hohen Energiegehalten ist im Detail in Figur 2 dargestellt, wobei die x-Achsen jeweils einen zeitlichen Verlauf darstellen, während die obere y-Achse links das Ionisationssi- 5 gnal (kurz Io-Signal, mit E für das Ionisationssignal des Erdgases [E-Gases] und P für das Ionisationssignal des Flüssiggases [P-Gases]) und rechts die Ansteuerung der Gasarmatur 3, I zeigt .

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Zeitlich aufeinander folgend sind erfindungsgemäß nun folgende Schritte vorgesehen:

1. Schritt: Zunächst wird eines der beiden Gase für den Verbrennungsprozess in einem überstöchiometrischen Verhältnis mit 15 Luft vermischt.

2. Schritt: Dann wird der Verbrennungsprozess gestartet und ausgehend von dem überstöchiometrischen Verhältnis ein sich dabei ergebendes Ionisationssignal E bzw. P erfasst. 20

3. Schritt: Anschließend wird das Verhältnis von Gas und Luft solange in Richtung Stöchiometriepunkt hinaus verändert bzw. die Gaszufuhr I im Verhältnis zur Luft solange erhöht, bis das Ionisationssignal E bzw. P einen Maximalwert erreicht (siehe 25 hierzu Punkt (E.l/P.l) in Figur 2).

4. Schritt: Das sich beim Maximalwert ergebende Verhältnis von Gas und Luft wird als Referenzverhältnis erfasst (siehe hierzu Punkt (1.1) in Figur 2). Dieses Referenzverhältnis wird dabei 30 besonders bevorzugt auf Basis eines Öffnungsgrades einer die Gaszufuhr definierenden Gasarmatur 3 bestimmt.

5. Schritt: Anschließend wird das Verhältnis von Gas und Luft solange über den Stöchiometriepunkt hinaus verändert bzw. die 5 Gaszufuhr im Verhältnis zur Luft weiter erhöht, bis das Ionisationssignal auf einen vorbestimmten, unterhalb des Maximalwertes liegenden Wert abfällt (siehe hierzu die Punkte (E.2), (P.2) und (1.2) in Figur 2). Als vorbestimmter Wert wird dabei vorzugsweise ein Wert zwischen 85 bis 95%, insbesondere 90%, 10 des Maximalwertes gewählt (orientiert an einem nicht dargestellten Nullpunkt des Ionisationssignals in Figur 2).

6. Schritt: Anschließend wird das Verhältnis von Gas und Luft wieder in Richtung Stöchiometriepunkt bis zum Referenzverhält- 15 nis verändert bzw. die Gaszufuhr im Verhältnis zur Luft bis zum Referenzverhältnis reduziert (siehe hierzu Zielpunkt (1.3) in Figur 2), wobei die sich dabei einstellenden Werte des Ionisationssignals währenddessen mathematisch verrechnet, insbesondere summiert oder integriert, werden (siehe hierzu die Li- 20 nien II, VP und VE unten in Figur 2).

7. Schritt: Ein oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes liegender Verrechungswert , insbesondere Summenwert oder Integrationswert, des Ionisationssignals VP bzw. VE wird als Er- 25 kennung eines Brenngases mit höherem (siehe hierzu Punkt (VP.l) unten in Figur 2) und ein unterhalb des Grenzwertes liegender Verrechnungswert , insbesondere Summenwert oder Integrationswert, als Erkennung eines Brenngases mit niedrigerem Energiegehalt bewertet (siehe hierzu Punkt (VE.l) unten in Fi- 30 gur 2). Als vorbestimmter Grenzwert wird dabei (vgl. auch Fi- gur 2) besonders bevorzugt ein Verrechnungsgrenzwert, insbesondere Summen-Grenzwert oder Integrations-Grenzwert, von 0 verwendet .

Nochmals in anderen Worten ausgedrückt, wird zur erfindungsge- 5 mäßen Erkennung der Gasfamilie über die Ansteuerung der Gasarmatur 3 kontinuierlich die Gasmenge erhöht, was zu einer Verschiebung der Luftzahl der Verbrennung auf λ<1 (siehe hierzu Punkt E.l, P.l in Figur 2) führt. Die Regelung 5 ermittelt das Maximum des Ionisationssignals und die dazugehörige Ansteue- 10 rung der Gasarmatur 3 (siehe hierzu Punkt 1.1 in Figur 2). Die Gasmenge wird weiter gesteigert, bis das Ionisationssignal auf etwa 90% des Maximums abgefallen ist (siehe hierzu Punkt E.2, P.2 in Figur 2). Im folgenden Schritt wird die Gasmenge kontinuierlich gesenkt und hierbei das Ionisationssignal zeitlich 15 verrechnet, insbesondere summiert oder integriert. Die Verrechnung erfolgt dabei durch Summation oder Integration der Differenzen zwischen dem gemessenen Ionisationssignal und dem Ionisationssignal bei Umkehrung der Gasmengenänderung (also dem Ionisationssignal des jeweiligen Gases beim vorbestimmten 20 [also zuvor ermittelten] Wert E.2 oder P.2). Beendet wird die Verrechnung bzw. Summation bzw. Integration, sobald die Gasar- maturansteuerung, die zum Zeitpunkt des Maximums des Ionisationssignals vorhanden war, erreicht wird (siehe hierzu Punkt 1.3 in Figur 2) . 25

Bedingt durch den höheren Energiegehalt steigt das Ionisationssignal bei der Verbrennung von Flüssiggas, hier Propangas, deutlich schneller als bei der Verbrennung von Erdgas, hier Methangas. Die Verrechnung bzw. Summation bzw. Integration des 30 Ionisationssignals liefert bei Propangas beispielsweise einen Wert >0, mit Methangas beispielsweise einen Wert <0 (siehe hierzu Punkt VP.l und VE .1 unten in Figur 2).

Nochmals in anderen Worten ausgedrückt, nutzt die Erfindung somit die Abhängigkeit des Ionisationssignals von der Tempera- 5 tur der Ionisationselektrode. Der Lastpunkt des Brenners, bei dem die Gasfamilienerkennung durchgeführt wird, bedingt unterschiedliche Temperaturen der Ionisationselektrode durch unterschiedlich heiße Zonen der Verbrennung. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird also die unterschiedliche Reaktionskinetik 10 von Methan und Propan in einem passenden Lastpunkt des Brenners genutzt, wobei indirekt über den Abfall des Ionisationssignals die Abkühlgeschwindigkeit der Ionisationselektrode erkannt wird. Die Abkühlgeschwindigkeit selbst hängt von der Höhe der Temperatur der Ionisationselektrode ab; bedingt durch 15 die Reaktionskinetik ist die Abkühlgeschwindigkeit bei Flüssiggas niedriger ist als bei Erdgas.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es anschließend möglich, das Verhältnis aus Gas- und Luftzufuhr optimal und an 20 der Gasfamilie orientiert einzustellen. Dabei hat es sich als wichtig herausgestellt, einen referenzierten Zustand vor der Auswertung des Ionisationsverhaltens einzustellen. Hierzu eignet sich das erfindungsgemäß gewählte Maximum des Ionisationssignals besonders gut, denn damit kann der Einfluss von Stör- 25 großen wie zum Beispiel der Oxidationszustand der Oberflächen oder ein Umwelteinfluss , insbesondere Staubeinfluß, ausgeschlossen werden.

Wie ersichtlich, wird beim oben beschriebenen Ausführungsbei- 30 spiel davon ausgegangen, dass das Referenzverhältnis gemäß Schritt d) auf Basis eines Öffnungsgrades einer die Gaszufuhr definierenden Gasarmatur 3 bestimmt wird. Alternativ kann gemäß dem Patentanspruch 1 aber auch, was hier, da ohne weiteres nachvollziehbar, nicht extra beschrieben ist, vorgesehen sein, dass das Referenzverhältnis gemäß Schritt d) auf Basis eines 5 mit der Luftzufuhr korrelierenden Signals bzw. insbesondere beispielsweise auf Basis einer Drehzahl eines die Luftzufuhr bestimmenden Gebläses 4 bestimmt wird. Das genannte Signal kann aber auch die Leistung des Gebläses sein oder von einem Massenstromsensor geliefert werden. 10

Bezugs zeichenliste

1 Ionisationselektrode

2 Brenner

3 Gasarmatur

4 Gebläse

5 Regelung

6 Steuerleitung Gasarmatur

7 Steuerleitung Gebläse

8 Ionisationssignalleitung

E Io-Signal E-Gas

E.l Maximalwert lonisationssignal E-Gas

E.2 lonisationssignal E-Gas beim vorbestimmten Wert

P Io-Signal P-Gas

P.l Maximalwert lonisationssignal P-Gas

P.2 lonisationssignal P-Gas beim vorbestimmten Wert

I Ansteuerung Gasarmatur

1.1 Referenzverhältnis

1.2 Vorbestimmter Wert

1.3 Zielpunkt

II Bezugspunkt Verrrechnung

III Gasmengenbezugspunkt

VP Verrechnung Io-Signal P-Gas

VE Verrechnung Io-Signal E-Gas