Brenner haben eine Reihe von Ausrüstungen, die benötigt werden einerseits für den Betrieb, wie

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1 Ausrüstung von Brennern Brenner haben eine Reihe von Ausrüstungen, die benötigt werden einerseits für den Betrieb, wie - Zündung - Leistungsregelung (Regelung Brennstoff- und Luftstrom) und andererseits für die Sicherheit, wie - Unterbrechung der Brennstoffzufuhr - Flammenüberwachung - Regelung und Überwachung des Gasdruckes bei gasförmigen Brennstoffen - Kontrolle der Funktion des Luftgebläses - Leckgassicherung - Koordination der Vorgänge beim An- und Abfahren sowie im Störfall. In Bild ist beispielhaft ein Schaltplan gezeigt. Bild 8.5-1: Beispiel für den Schaltplan einer Verbrennungseinrichtung Die Ausrüstungen werden hier nur prinzipiell beschrieben. Für eine ausführliche Beschreibung sei z. B. auf Cerbe 1992 verwiesen.

2 295 Zündung Zur Zündung werden eingesetzt bei großen Brennern - Zündbrenner (stets vorgemischte Flammen) und bei kleineren Brennern - elektrische Zündeinrichtungen, wie z. B. Zündtransformator mit Elektroden oder Lichtbogen. Regelung Brennerleistung Bei Brennern mit kleiner Leistung, wie z. B. bei Haushaltsheizungen und kleinen Dampferzeugern wird die Leistung in der Regel nur durch An- und Ausschaltung (unstetige Regelung) oder Wahl zwischen zwei Leistungsstufen geregelt. Bei Brennern großer Leistung und bei schwankendem Leistungsbedarf wird der Brennstoff zwischen einer oberen und unteren Leistungsgrenze stetig geregelt. Diese beiden Grenzen sind durch die Flammenstabilität vorgegeben. Zusätzlich zur Brennstoffzufuhr muss auch der Luftstrom geregelt werden, um stets die Luftzahl einstellen zu können. Bei Gasbrennern sind dazu in vielen Fällen das Luftstellglied mit dem Brennstoffstellglied mechanisch durch eine Gestänge verbunden. Eine durch einen Stellmotor angetriebene Kurvenscheibe gleicht dabei die verschiedenen Stellcharakteristiken aus. Bei technischen Feuerungen, bei schwankenden Heizwerten und bei Brennern großer Leistung wird die Luftzufuhr unabhängig von der Brennstoffzufuhr geregelt. Hierzu wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas oder bei unterstöchiometrischer Verbrennung die CO- bzw. CO 2 -Konzentration gemessen. Die Abhängigkeit dieser Konzentrationen von der Luftzahl ist in Kapitel 2 beschrieben worden. Entsprechend dieser Abhängigkeit wird das Gebläse geregelt. Sicherheitsabsperrarmaturen Brenner müssen mit Sicherheitsabsperrarmaturen ausgerüstet sein, die bei Verlöschen der Flamme, bei zu niedrigem Gas-, Öl- oder Luftdruck, bei einer Störmeldung oder bei Brennerabschaltung die Brennstoffzufuhr unterbrechen. Als Absperrventile werden in der Regel Magnetventile und Motorventile eingesetzt, wobei je nach Programmablauf des Brenners schnell- oder langsam schließende sowie einstufige, zweistufige und stufenlose Ventile Verwendung finden. Die stufenweise Schließung soll Druckstöße verhindern. Die Anforderungen an die Ventile z. B. hinsichtlich Schließkraft und Dichtheit sind in der DIN 3394 geregelt. Flammenüberwachung Das Brennen der Flamme muss stets überwacht werden, um im Falle des Verlöschens die Zufuhr des Brennstoffs abschalten zu können. Anderenfalls würde Brennstoff unverbrannt in den Feuerraum gelangen und somit die Gefahr der Verpuffung und Explosion bestehen. Automatische Zündsicherungen bestehen aus einem Flammenfühler und einem Steuergerät, das ein Signal zur Brennstoffabschaltung nach einer gewissen Sicherheitszeit gibt. Diese

3 296 Sicherheitszeit sowie auch die Zeitspanne bis zur Wiederzündung hängt von der Leistung der Feuerung und von der Art des Brenners ab. Solche Zeiten sind z. B. in der DIN 4788 aufgeführt. Anhaltswerte sind bei Brennern mit Luftgebläse im Betriebszustand 1 s und bei Anlauf 3 bis 5 s. Zur Überwachung können verschiedene Eigenschaften der Flammen genutzt werden, die in Tabelle 8-2 zusammengestellt sind (Cerbe 1992). Eigenschaften der Flammen thermisch elektrisch optisch Ionisation - elektrische Leitfähigkeit der Flamme - Stromgleichrichtung der Flamme - Stomerzeugung im Thermoelement - Ausschlag eines Bimetalls träge wenig träge Strahlung - Stromleitung in UV- Sonde Tabelle 8-2: Eigenschaften von Flammen zu deren Überwachung Bei der thermischen Flammenüberwachung wird ein Thermoelement in die Flamme gehalten und die Thermospannung gemessen. Diese Methode ist sehr träge. Daher wird sie meist nur in Brennern ohne Gebläse bis zu einer Leistung von 350 kw eingesetzt. Das Prinzip der Ionisationsflammenüberwachung besteht darin, dass Gasmoleküle durch die hohe Temperatur in der Flamme zu elektrischen Ladungsträgern werden. Zur Ausnutzung dieses Effektes für eine Sicherung unterbricht man den Stromkreis an der Stelle, wo sich die Flamme bildet, so dass im Betriebszustand der Stromkreis durch die Leitfähigkeit des verbrennenden Gasgemisches geschlossen wird. Eine Fehlerquelle besteht darin, dass durch einen Kurzschluss oder einen parallel zur Ionisationsstrecke entstandenen Kriechweg durch Feuchtigkeit, Zunder u. ä. eine Flamme vorgetäuscht wird. Um diesen Fehler auszuschließen kann der Gleichrichtereffekt der Flamme genutzt werden, indem zwischen die Elektroden mit verschieden großer Fläche eine Wechselspannung angelegt wird. Es fließt ein kleiner Strom mit Gleichstromkomponente. Die Höhe dieses Ionisationsstromes ist in verschiedenen Brennzonen der Flamme unterschiedlich, er nimmt in der Regel mit steigender Flammentemperatur und mit steigendem Heizwert zu. Der Ionisationssttrom ist nämlich vond er Luftzahl und der Art des Gases abhängig, wie beispielhaft in Bild dargestellt. Bild 8.5-2: Ionisationsstromkurve verschiedener Brenngase (GWI)

4 297 Bei einem leicht unterstöchiometrischen Gemisch weist der Strom ein Maximum auf. In Richtung niedrigerer und höherer Luftzahlen nimmt die Stärke des Stromes relativ schnell ab. Insbesondere die Zwischenprodukte von Kohlenwasserstoffen bilden ionisierte Moleküle. Daher ist das Ionisationspotential bei einer reinen Wasserstoff Verbrennung äußerst gering. Folglich müssen zur Flammenüberwachung von Wasserstoffflammen entweder Kohlenwasserstoffe in ausreichender Menge zugemischt werden oder es müssen anderer Verfahren, wie z. B die Temperaturfeldüberwachung mit Thermoelementen, angewandt werden. Der Nachteil einer Ionisationsflammenüberwachung besteht in dem möglichen Verschleiß insbesondere der Elektroden, da diese Bauteile thermisch hoch belastet sind. Der Vorteil liegt in der relativ kurzen Ansprechzeit. Bei der UV-Flammenüberwachung wird die ultraviolette Strahlung der Flamme mit einer UV- Diode absorbiert. Die UV-Diode besteht aus einem gasgefüllten Quarzglaskolben, in dem sich zwei gleiche Elektroden gegenüberstehen. An diese wird eine Wechselspannung gelegt. Sobald in den Raum zwischen den Elektroden UV-Strahlen dringen, wird das im Glaskolben befindliche Gas ionisiert und verursacht einen Stromimpuls. Die Röhre zündet durch. Dies geschieht bei fast jeder Halbwelle, so dass sich ein Wechselstrom einstellt, der über einen Verstärker zur Steuerung des Flammenwächterrelais verwendet wird. Die Anspruchzeit ist sehr gering. (siehe Cerbe 1992). Gasdruckregelung Bei Gasbrennern muss der Gasdruck vor dem Brenner auf das notwendige Niveau heruntergeregelt und konstant gehalten werden, um z. B. bei Netzdruckschwankungen einen gleichbleibenden Durchsatz zu gewährleisten. Die Bauarten sind z. B. in der DIN 3392 festgelegt. Gasdruckwächter Gasbrenner können einen Gasdruckwächter besitzen, der den Brenner bei Unterschreitung eines vorgegebenen Mindestdruckes abschaltet. (DIN 3398) Funktionskontrolleinrichtung für das Gebläse Die Funktion des Gebläses kann mit Hilfe von - Luftdruckwächtern (z. B. DIN 3398) - Volumenstrommesseinrichtungen mit Signalabgabe - Strömungswächtern oder - Drehzahlwächtern überwacht werden. Leckgassicherung Bei Leistungen > 350 kw wird der Einbau einer Leckgassicherung empfohlen (z. B. DIN 4788). Diese hat die Aufgabe, das unerwünschte Einströmen unverbrannter Gase infolge Undichtigkeit der Armaturen während der Stillstandzeit sowie bei der Wiederinbetriebnahme des Brenners zu verhindern. Bei einigen Feuerungen wird der Brennraum vor jedem Start des

5 298 Brenners mit Luft gespült, um eventuell vorhandene Gas- oder Öldampfreste auszuschleusen und somit die Gefahr einer Verpuffung bei der Zündung der Flamme zu vermeiden. Luftzahlregelung Zur Einstellung der Luftzahl kann der Luftvolumenstrom gemessen und geregelt werden oder das Gebläse wird geregelt entsprechend der gemessenen Konzentration an O 2, CO 2 oder CO im Abgas. Bei Feuerungen mit vielen (kleineren) Brennern, wie z. B. Industrieöfen, wird der Volumenstrom der Luft an jedem Brenner gemessen und geregelt, da jeder Brenner mit optimaler Luftzahl betrieben werden muss. Die gesamte Luftversorgung wird mit einem Zentralgebläse eingestellt. Bei Feuerungen mit nur einem Brenner, wie z. B. bei Dampfkesseln, und bei Feuerungen mit Falschlufteintritt wegen Produktöffnungen, wie z. B. bei einigen Industrieöfen, wird zur Lufzahleinstellung das Gebläse entsprechend der Konzentrationsmessung geregelt. Eine Messung des in der Regel sehr hohen Luftstroms ist zu aufwendig und mit einem zu großen Druckverlust verbunden. Zudem ist bei Falschlufteintritt eine Messung des Luftstroms am Gebläse nicht von Nutzen. Bei überstöchiometrischer Verbrennung wird zur Luftzahlregelung die O 2 - oder CO 2 -Konzentration und bei unterstöchiometrischer Verbrennung die CO- Konzentration gemessen. Die prinzipiellen Messverfahren sind bereits in Abschnitt 7.6 beschrieben worden.