Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, bei unbekannten Rahmenbedingungen und insbesondere bei erstmaligem Nichtzünden, wobei für die Feuerungseinrichtung in einem Speicher eine aus empirischen Ermittlungen bekannte Kennlinie einer Start-Luftzahl in Abhängigkeit von der Brennertemperatur hinterlegt ist.
Gasheizgeräte werden zur Bereitung von Wärmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme o.ä. eingesetzt. In verschiedenen Betriebsphasen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Speziell der Startvorgang des Geräts verlangt ein schnelles Entzünden der Brennerflamme und eine anschließende, an den Wärmebedarf angepasste, Leistungsabgabe. Aufgrund der im Normalfall unregelmäßigen Nutzung des Gasbrenners über den Tag und die Nacht verteilt, sind die Start-Rahmenbedingungen für den Gasbrenner meist unbekannt. Wichtige Größen für diese Start-Rahmenbedingungen sind vor allem die Brennertemperatur, die Gasart, der Gasdruck, der Umgebungsdruck der Luft und die Luftfeuchtigkeit. Die entscheidende Größe zur Zündung des Brenners ist die Start-Luftzahl, durch die das Verhältnis der tatsächlich dem Brenner zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für eine optimale stöchiometrische Verbrennung erforderlichen Luftmenge beschrieben ist. Der Sollwert für die Luftzahl für die hygienisch optimale Verbrennung während des Betriebs liegt bei etwa 1,3. Brenner zünden bei unterschiedlichen Gas-Luftverhältnissen abhängig von den Rahmenbedingungen.
Die Leistungsabgabe eines Gasbrenners richtet sich nach dem sich regelmäßig ändernden Wärmebedarf. Im Wesentlichen wird die Leistungsabgabe durch die Einstellung der Zufuhr von Luft und Brenngas und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen Luft und Gas bestimmt. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme der Luft und des Gases angegeben werden.
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Nachteilhaft an den zuletzt genannten Verfahren ist, dass um sie auszuführen entweder vorausgesetzt wird, dass die Brenner bereits gestartet sind, oder unzureichende, auf feste Rahmenbedingungen abgestimmte Startverfahren verwendet werden. Eine Offenbarung integriert in die Beschreibung den Startvorgang eines Brenners, gelöst mit einer Startautomatik, die lediglich das Gebläse als Regelgröße verwendet. Das ist nicht ausreichend, um unterschiedliche, unbekannte Rahmenbedingungen zu berücksichtigen und auf ein Nichtzünden zu reagieren.
In dem Stand der Technik
Der Stand der Technik
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten einer Feuerungseinrichtung bei unbekannten Rahmenbedingungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Verfahren gemäß Anspruch 1 die Kalibrierung in folgenden Schritten durchgeführt:
Bei der ersten Inbetriebnahme eines Gasbrenners sind die Rahmenbedingungen gänzlich unbekannt. Sowohl die Zusammensetzung des Gases, als auch die Umgebungsbedingungen spielen für den Start und den Betrieb des Brenners eine entscheidende Rolle. Um einen sicheren Startvorgang zu gewährleisten, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, eine Kalibrierung durchzuführen, bei der die entscheidenden Einflussfaktoren ermittelt und berücksichtigt werden. Der Startvorgang muss jedoch auch nach der ersten Inbetriebnahme im Alltagsbetrieb immer wieder, abhängig von dem Wärmebedarf, sicher vollzogen werden können. Dazu ist eine Kalibrierung ebenfalls vorteilhaft, weil auf diese Weise auf unterschiedliche Bedarfssituationen entsprechend reagiert werden kann. Die Speicherung der bei der Kalibrierung für die unterschiedlichen Starts ermittelten Luftzahlen birgt die Möglichkeit, für zukünftige Starts auf diese Zahlen zurückzugreifen. Das ist nutzbringend hinsichtlich eines sicheren und schnellen Starts des Gasbrenners. Eine Startautomatik, wie sie der Stand der Technik offenbart, kann diese Vorteile nicht aufweisen, da sie ausschließlich auf exakt bestimmte Rahmenbedingungen eingestellt sein muss und nicht auf unbekannte Rahmenbedingungen reagieren kann.
Die Kalibrierung erfolgt durch ein Verfahren mit mehreren Schritten. Die Zuführung eines zu mageren Brennstoff-Luft-Gemisches an den Brenner und das stetige langsame Anfetten des Gas-Luft-Gemisches durch Öffnen des Gasventils bringt den großen Vorteil, dass es zu keiner Verpuffungsexplosion eines angesammelten, nicht verbrannten Gas-Luft-Gemisches kommen kann. Grundsätzlich wäre auch eine Annäherung des Gemisches von zu gashaltigem, fettem hin zu lufthaltigerem, magerem Gemisch möglich, bis ein zündungsfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch am Brenner vorhanden ist, jedoch wäre eine derartige Annäherung bezüglich des Sicherheitsgedanken äußerst nachteilhaft. Die Berechnungsvorgänge während des Kalibrierungsvorgangs sind einfach und schnell auszuführen. Bei der Zündung wird die Luftzahl und der Soll-Massenstrom der Verbrennungsluft mit Hilfe einer in einem Speicher abfragbaren Kennlinie errechnet, so dass der Brenner direkt in den Betriebszustand überführt werden kann. Die Speicherung der errechneten Ergebnisse bringt den Vorteil eines zukünftig noch schnelleren Startvorgangs.
Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Ergebnisse nicht nur gespeichert, sondern dafür verwendet werden, eine Kennlinie zu entwickeln, um die ein Korridor bestimmt wird. Dieser Korridor ist für jeden folgenden Startvorgang und für den Betrieb ein entscheidendes Hilfsmittel, weil durch ihn ein Bereich abgegrenzt wird, in dem der Brenner in den verschiedenen Leistungsspektren sicher gestartet und betrieben werden kann. Das hat den großen Vorteil, dass eventuelle Fehlfunktionen, die sich durch einen Betrieb des Gasbrenners außerhalb des Korridors zeigern, sicher entdeckt werden und der Brenner nach einer festgelegten Zeitspanne aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wird.
Vorteilhaft ist auch, die Änderung der Öffnung des Gasventils durch die Modulation einer Pulsweite, durch die Variation einer Spannung oder eines Stroms einer Ventilspule, oder durch Betätigung eines Schrittmotors eines Ventils durchzuführen. Auf diese Weise kann das Gasventil schnell und sicher die benötigten Öffnungen realisieren.
Des weiteren ist es vorteilhaft, dass für die Feuerungseinrichtung zur Berechnung der tatsächlichen Start-Luftzahl eine empirisch ermittelte Kennlinie von Start-Luftzahlen zu bekannten Rahmenbedingungen in einem Speicher hinterlegt ist. Bei verschiedenen Brennertemperaturen werden dafür vorab unterschiedliche Start-Luftzahlen ermittelt, die die hinterlegte Kennlinie beschreiben. Mit Hilfe der Kennlinie kann während des Kalibrierungsvorgangs durch Messen der Brennertemperatur einfach die tatsächliche Start-Luftzahl errechnet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigen:
Der Ablaufplan ist gemäß der dargestellten Pfeile schrittweise von oben nach unten zu lesen. Untereinander abgebildete Schritte werden nacheinander, nebeneinander abgebildete Schritte gleichzeitig ausgeführt. Jeder Schritt entspricht einem rechteckigen Kasten.
Zu Beginn des Kalibrierungsvorgang wird Gas mit einer konstante Luftmenge vermischt. Das anfangs daraus entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch ist absichtlich zu mager, d.h. der Gasanteil ist zu gering, um gezündet werden zu können. Auf diese Weise ist eine Ausgangssituation sichergestellt, bei der es zu keiner unerwarteten Zündung, von der eine Explosionsgefahr ausginge, kommen kann.
Durch langsames, stetiges Öffnen des Gasventils bei konstantem Luft-Massenstrom wird das zu dem Brenner strömende Brennstoff-Luft-Gemisch angefettet, d.h. das Verhältnis von der zugeführten Gasmenge zu der zugeführten Luftmenge steigt. Gleichzeitig werden durch die Zündanlage kontinuierlich Zündversuche mit dem fortwährend gashaltiger werdenden Gemisch unternommen:
Wenn das unbekannte, zur Zündung nötige Verhältnis zwischen Gasmenge und Luftmenge für die jeweiligen Rahmenbedingungen erreicht ist, zündet das Gemisch und der Gasbrenner ist gestartet. Genau zu diesem Zeitpunkt des Zündens wird die Brennertemperatur gemessenen. Mit Hilfe dieser gemessenen Temperatur und der in dem Speicher abgelegten Kennlinie der Beziehung von Start-Luftzahl zur Brennertemperatur, wird die tatsächliche Luftzahl zum Zeitpunkt der Zündung berechnet.
Das Ergebnis dieser berechneten Luftzahl zum Zeitpunkt der Zündung, bei der entsprechend gemessenen Brennertemperatur, wird abgespeichert, so dass die Luftzahl für zukünftige Startvorgänge zur Verfügung steht.
Des Weiteren wird aus dieser Luftzahl der Soll-Massenstrom der zuzuführenden Luftmenge berechnet. Anschließend kann bei bekannter konstanter Öffnung des Gasventils die zugeführte Luftmenge von einem gemessenen Istwert zu einem berechneten Sollwert so geändert werden, dass die Soll-Luftzahl erreicht wird. Die Soll-Luftzahl liegt auf der Soll-Kennlinie, die das angestrebte Verhältnis von Luftmenge zu Gäsmenge bzw. mL,tatsächlich / mL,min bei verschiedenen Wärme-/ Leistungsanforderungen beschreibt. Um diese Soll-Kennlinie wird ein Korridor erzeugt, der mindestens so groß/breit ist, dass die berechnete Start-Luftzahl innerhalb dieses Korridors liegt. Die Kennlinie und der erzeugte Korridor werden in dem Speicher abgelegt, so dass zukünftige Startvorgänge, entsprechend der unterschiedlichen Wärme-/ Leistungsforderungen, gemäß dieses Korridors durchgeführt werden. Die für den Gasbrenner vorher unbekannten Rahmenbedingungen sind durch den Kalibrierungsvorgang für folgende Startvorgänge in bekannte Rahmenbedingungen gewandelt worden.
Die Ansteuerung einer Soll-Luftzahl von der berechneten Start-Luftzahl kann durch eine Änderung der zugeführten Luftmenge bei konstant gehaltener Gasöffnung erfolgen.
Durch Bildung eines Korridors über dem Luft-Massenstrom ist es möglich, angepasst an die Wärme-/ Leistungsforderung in einem Parameterbereich zu zünden. Würde mit hoher Leistung gezündet, obgleich nur ein geringer Wärmebedarf besteht, würde viel Energie in das Heizsystem eingebracht, was im Extremfall zum sofortigen Wiederabschalten des Gasbrenners führt. Daher kann bei geringem Leistungsbedarf eine bestimmte kleine Gasöffnung und eine entsprechende Luftmenge angesteuert werden. Für den Fall eines schnellen Bedarfs an hoher Leistung, z.B dem Brauchwasserbetrieb, steht die maximale Wärme-/ Leistungsabgabe durch eine angesteuerte große Öffnung des Gasventils mit entsprechender Luftmenge direkt zur Verfügung, ohne sich von einer begrenzten Zündleistung her der Maximalleistung langsam annähern zu müssen.
Durch den erzeugten Korridor sind gleichzeitig für den Normalbetrieb auch Grenzen gesetzt, innerhalb derer der Gasbrenner betrieben wird. Bei Feststellung, dass diese Grenzen über einen bestimmten Zeitraum über- oder unterschritten werden, ist ein Hinweis auf eine Fehlfunktion gegeben. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Abweichung des Gasdrucks vom zulässigen Eingangsdruckbereich, eine Abweichung des Gases, oder um eine Fehlfunktion von Sensoren handeln. Der Gasbrenner schaltet sich in diesem Fall nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne automatisch ab.
Die Brennertemperatur ist ein entscheidender Parameter hinsichtlich der zum Start benötigten Start-Luftzahl. Aus mehreren vorab durchgeführten Startversuchen lässt sich eine Kennlinie entwickeln, die eine Start-Luftzahl in Abhängigkeit von der Brennertemperatur bestimmt und der Feuerungseinrichtung in einem Speicher hinterlegt wird. Zur Bestimmung dieser Kennlinie wird bei kontinuierlichen Zündversuchen ein zu mageres Brennstoff-Luft-Gemisch langsam angefettet, bis es zur Zündung kommt. Die Luftzahl im Augenblick der Zündung wird festgehalten. Durch Wiederholung dieses Vorgangs bei verschiedenen Brennertemperaturen ergibt sich aus den einzelnen Ergebnissen die gesuchte Kennlinie. Durch die Hinterlegung in einem Speicher kann jederzeit auf die Kennlinie zugegriffen werden.
Die entscheidenden Einflussgrößen für die Gemischbildung sind die zugeführte Gasmenge mG und Luftmenge mL. Die Gasmenge mG ist dabei abhängig von der Öffnung (w) des Gasventils. Um einen hygienischen Betrieb zu gewährleisten wird die Feuerungsanlage bei einer Luftzahl von etwa λ = 1,3 betrieben. Die Kennlinie liegt in dem dargestellten Diagramm, je nach Rahmenbedingungen etwas verschoben in Richtung des oberen oder unteren Bereich. Im oberen Bereich ist das Brennstoff-Luft-Gemisch fetter, im unteren Bereich magerer. Um die Kennlinie wird der Korridor bestimmt, durch den Grenzen für den Betrieb und ein sicherer Bereich für die Luftzahl für folgende Startvorgänge vorgegeben ist. Die obere Grenze limitiert die Brennbarkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches zu dem fetten, die untere Grenze zu dem mageren Bereich.
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