Lambda-Regelung für die Zentralheizung

Dipl.-Ing. Christian Voit* Teil 2

Im ersten Teil des Beitrags wurden einige Grundlagen der Verbrennungstechnik aufgezeigt und darüber hinaus dargelegt, dass für verschiedene Arten von Verbrennungen unterschiedliche Konzepte zur Emissionsminderung angewandt werden müssen. Im zweiten Teil soll eine Methode zur Regelung eines Gasheizkessels mittels eines Lambda-Sensors vorgestellt werden.

Bild 7: Reaktionsprozess an der Oberfläche eines Halbleiters.

Dazu muss zunächst die Funktionsweise eines l-Sensors verstanden werden: Einige Metalloxide zeigen bei Erhitzung auf mehrere hundert Grad Celsius Eigenschaften eines Halbleiters. Im Material bilden sich freie Elektronen, die zu einer messbaren Leitfähigkeit führen. Bei manchen Metalloxiden, wie z.B. TiO₂, Nb₂O₃, CoO oder SnO₂, bewirken diese freien Elektronen an der Kristalloberfläche eine Adsorption von Sauerstoff aus der Umgebungsluft, welcher sich an freigewordene Bindungsstellen anlagert. Dieser angelagerte Sauerstoff bindet dabei freie Elektronen an der Kristalloberfläche, sodass die Oberflächenleitfähigkeit des Materials durch eine ladungsträgerarme Randzone sinkt. Bei Vorhandensein von oxidierbaren Gasen, wie etwa Kohlenmonoxid (CO), reagieren die angelagerte, hochaktiven Sauerstoffradikale mit den Substanzen, sodass die Anzahl der Elektronenbindungen abnimmt. Die dabei frei werdenden Elektronen erhöhen die Oberflächenleitfähigkeit wieder. Da es sich hierbei um einen reinen Oberflächeneffekt handelt, werden in der Praxis Sensorelemente aus gesinterten Metalloxidpulvern eingesetzt. Durch die Korngröße von einigen hundert Ångström erreicht man eine enorme Vergrößerung der aktiven Oberfläche gegenüber einem kompakten Körper. Wie in Bild 7 dargestellt, findet der Effekt somit vorwiegend an den Korngrenzen statt.

Bild 8: Sensoraufbau.

Bild 9: Elektrische Verschaltung des Sensors.

In der Praxis hat sich herausgestellt, dass vor allem Zinndioxid (SnO₂) eine hohe Empfindlichkeit bereits für geringe Konzentrationen reduzierender Gase, wie z.B. Kohlenwasserstoffe, aufweist. Diese Eigenschaften lassen sich nutzen, um das Vorhandensein unvollständig verbrannter Produkte einer Verbrennung nachzuweisen. Einen praktischen Sensoraufbau zeigt Bild 8. Das Sensorelement besteht aus einer gesinterten Scheibe, in die als Messelektroden zwei Platindrähte eingelassen sind. Zwischen den Elektrodendrähten kann bei aufgeheiztem Sensor ein elektrischer Widerstand gemessen werden, der variiert mit der Konzentration von typischen Abgasbestandteilen. Bild 9 zeigt die typische Beschaltung eines solchen Sensorelementes.

Durch die hohe Empfindlichkeit und sehr schnelle Reaktion auf Konzentrationsänderungen lässt sich sogar die Güte der Verbrennung unmittelbar nach der Flammenzone noch im Verbrennungsraum messen. Dazu sollen die Verhältnisse in einem Heizkessel näher betrachtet werden.

Bild 10: Reaktionsprozesse im Heizkessel.

Schema eines Heizkessels

In Bild 10 ist ein schematischer Schnitt durch einen Heizkessel gezeigt. Im unteren Teil des Diagramms ist in gespreizter Darstellung das Konzentrationsprofil der verschiedenen Stoffe im Verlauf des Verbrennungsprozesses dargestellt. Wie schon erwähnt, kann nun mit einem Halbleitergassensor bereits unmittelbar hinter der Flamme gemessen werden, in einem Bereich, in dem die Abgasbestandteile zum Teil noch in ionisierter Form als so genannte Radikale existieren. Bild 11 zeigt einen guten Montageort für den Sensor. Damit wird auch die Notwendigkeit für ein homogenes Flammbild deutlich. Im Falle einer ungünstigen, weil inhomogenen Flamme, könnte u.U. wie in Bild 12 skizziert, der Sensor zeitweise sogar in die Flamme selbst geraten. Durch die sehr hohe und stark schwankende Konzentration von Radikalen in den inhomogenen Bereichen würde ein völlig falsches und sehr unstabiles Messergebnis die Folge sein. Eine Regelung solch eines Brenners ist daher mit dieser Art Sensor nicht möglich.

Bild 11: Montageort für den Lambdasensor bei homogenem Flammenbild.

Es ist ebenfalls erforderlich, dass die Verbrennung in einer geschlossenen Brennkammer stattfindet. Bei atmosphärischen oder offenen, vorgemischten Brennern entstehen durch die Flamme Verwirbelungen mit der Umgebungsluft, die zu lokalen Inhomogenitäten führen. Eine gleichmäßige Messung ist damit nicht mehr möglich.

Bild 12: Unstabile Messergebnisse ergeben sich bei der Sensoranordnung in einer inhomogenen Flamme.

Praktische Konstruktion eines Brenners

Zusammenfassend kann ein geeigneter Brenner für eine l-Regelung mit einem Halbleitergassensor wie folgt charakterisiert werden:

Voll vormischender Brenner mit geschlossener Brennkammer
Homogene Brennfläche mit kurzer Flammenlänge
Geringe Belastung (Infrarotbrenner), Brenntemperatur ca. 900°C
Regelmöglichkeit für das Gas-/Luftverhältnis

Bild 13: Schnittbild eines Kessels mit Lambdageregeltem Brenner.

Ein Schnitt durch einen entsprechenden Kesselaufbau zeigt Bild 13. Die Flamme brennt bei dieser Kesselart von oben nach unten, die Verbrennungsluft wird dazu durch ein Gebläse in den Brennraum gefördert. Das Gas wird durch eine Düse in den Luftstrom injiziert und in der Vormischkammer gleichmäßig mit der Luft vermischt. Die Brennerplatte separiert Vormischkammer und Brennraum. Ihr kommt eine zentrale Rolle bei der Verbrennung zu. Die heißen Abgase strömen durch den Wärmetauscher und können abgekühlt unten in die Abgasleitung entweichen. Das auftretende Kondenswasser wird am untersten Punkt gesammelt und abgeleitet. Man bezeichnet diese Kesselvariante als Gebläse-Sturzbrenner.

Bilder 14a/b: Oben: Kennlinie eines l-Sensors aus BaSnO₃. Unten: Beispiel für den Zusammenhang zwischen l, dem Sensorsignal und der CO-Emission eines Brenners.

Brennermaterialien

Die Brennerplatte ist eines der wichtigsten Bauteile eines vorgemischten Brenners. Sie trennt die Vormischkammer mit dem brennbaren Gas/Luft-Gemisch von der Brennkammer. Dabei können Temperaturunterschiede bis zu 1500°C auftreten ebenso wie sehr große Temperaturänderungen bei Zünden des Brenners. Die Brennerplatte muss unter allen Umständen ein Übergreifen der Flamme in die Vormischkammer verhindern, da die hierbei auftretende Verpuffung zur Zerstörung des Brenners und zum Ausbruch von Bränden führen kann. Ihre Beschaffenheit und Güte bestimmt aber auch das Flammbild und letztendlich die Qualität der Verbrennung. In heutigen Brennern kommen als Brennplattenmaterial vorwiegend perforierte Metall- oder Keramikwerkstoffe zum Einsatz. Dies sind massive Formteile mit einer großen Anzahl feiner Kanäle, durch die das Gas/Luft-Gemisch in die Brennkammer strömt. Dadurch entstehen viele kleine Flammen, die eine Verbrennung wie in Bild 12 dargestellt bewirken. Für eine Regelung mit einem l-Sensor ist jedoch eine homogene Flammfront erforderlich. Diese kann man erreichen durch den Einsatz von Werkstoffen, bei denen das Gas/Luft-Gemisch nicht mehr durch einzelne Kanäle, sondern durch ein diffuses Labyrinth von Öffnungen hindurchströmt, wie es mit Vliesen aus mikroskopischen Fasern oder mit offenporigen Schäumen realisiert werden kann. Als sehr zukunftsträchtig gelten heute Brennermaterialien aus Metall-, Mineral- oder Carbonfasern sowie Keramikschaum. Brenner, die aus diesen Werkstoffen gefertigt werden, eignen sich gut für eine Regelung mit den oben beschriebenen Halbleiter-l-Sensoren.

Dynamisches Auf und Ab

Die Kennlinie eines l-Sensors aus BaSnO₃ ist in Bild 14b skizziert. Die Grafik zeigt deutlich, dass es sich um eine Hysteresekurve handelt, bei der in einem Bereich um lP1,06 erhebliche dynamische Anteile die Kennlinie prägen. Bild 14a zeigt ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen l, dem Sensorsignal und der CO-Emission eines Brenners. Damit wird klar, dass es nicht ausreichend ist, auf einen festen Wert des Sensorwiderstandes auszuregeln. Vielmehr muss der Brennerautomat den Arbeitspunkt finden, bei dem das Sensorsignal gerade noch stabil ist. Das Verfahren hierzu ist einfach: ausgehend von einem Luftüberschuss wird der Luftanteil schrittweise gesenkt, bis ein signifikantes Ansteigen der Signalspannung erfolgt. Daraufhin wird der Luftanteil wiederum in kleinen Schritten verringert, bis ein erneutes Ansteigen des Sensorsignals auftritt. Durch dieses schrittweise "Herantasten" an den optimalen Arbeitspunkt hat der Verlauf des Luftanteils über die Zeit die Form einer Sägezahnkurve, wie in Bild 15 gezeigt ist.

Bilder 15a/b: Oben: Theoretische Sägezahnkurve durch das stufenweise Herantasten an den optimalen Arbeitspunkt. Unten: Ausdruck eines realen Testaufbaus.

Das Regelprinzip ist in Diagramm 15a skizziert, darunter sieht man einen realen Plot eines Testaufbaus, bei dem nach einer kurzen Einregelphase der Sauerstoffüberschuss im Abgas in einem engen Bereich um 2% ausgeregelt wird.

*) Dipl.-Ing. Christian Voit, Unitronic AG, Düsseldorf

[Zurück] [Übersicht] [www.ikz.de]