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Thema: Zündsicherungen/Flammenüberwachung

Funktionsschema.

 

Zündsicherungen sind technische Einrichtungen, die ein unkontrolliertes Austreten von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen in Feuerungsanlagen verhindern. Dies dient der Sicherheit durch Vermeidung von Verpuffungen, Explosionen oder Bränden. Zündsicherungen werden bei Gasgeräten seit etwa 100 Jahren eingesetzt. Gasbrenner erfordern eine besonders hohe Betriebssicherheit.

Strömen unkontrolliert Brenngase aus dem Brenner, so besteht bereits bei geringen Gaskonzentrationen von ca. 2 bis 5% Explosionsgefahr. Ein Höchstmaß an Sicherheit bietet daher die direkte Kontrolle der – falls vorhanden – Zünd-, Wach- und in jedem Falle der Hauptflamme.
Eine Zündsicherung an einer Kesselanlage, Heizeinrichtung oder an sonstigen Feuerungsgeräten stellt sicher, dass der Brennstoffweg nur nach erfolgter „Zündung“ und bei vorhandener, stabiler Flamme offen bleibt. Ist der Zündversuch erfolglos oder erlischt eine Flamme während des Betriebes, wird der Brennstoffweg sofort geschlossen. Modernere Gasheizungen sind mit Überwachungselektroden, Dioden oder Lichtsensoren ausgestattet, die sich in bzw. dicht an der Flamme oder deren Reflexionsfeld befinden.
Zündsicherungen werden nach ihrem Aufbau und ihrer Funktion unterschieden.

Mechanische Zündsicherungen
Diese arbeiten mithilfe von Federkräften, Umlenkeinrichtungen und der Wärme des Brennstoffes.

Bimetallzündsicherung
Sie öffnen z.B. mittels Ventilen und thermisch beheizter Federn.

Thermoelektrische Zündsicherung
Elektrische Zündsicherungen halten mithilfe des Stromes, der mittels Flamme erzeugt wird, das Gasventil offen. Erlischt die Flamme, bricht die Stromerzeugung zusammen und das Gasventil wird geschlossen.
Bei Gasherden befinden sich beispielsweise Thermoelemente am Brenner, die bei fehlender Wärme bzw. Flamme auskühlen und das Gasventil schließen.

Elektronische Zündsicherung
Diese Zündsicherungen arbeiten mithilfe von elektronischen Bausteinen bzw. Bauteilen, nach einem vorgegebenen Programm.

  • Ionisationszündsicherung (Überwachungselektroden)
  • optische Zündsicherung (UV-Dioden, Fotozellen).


Bimetallzündsicherung
Diese ist noch manchmal in atmosphärischen Brennern älterer bzw. einfacher Bauart anzutreffen. Hier wird durch eine Zündflamme ein Bimetallstreifen erwärmt, der dann durch die Verformung ein mit einer Feder geschlossenes Gasventil aufdrückt. Der Gasdurchfluss zum Brenner wird ermöglicht. Durch Ausglühen kann der Bimetallstreifen wirkungslos werden.
Bei der Bimetall-Zündsicherung ist die Zündgaszufuhr (Zündflamme) nicht mitgesichert.

Thermoelektrische Zündsicherung
Thermoelektrische Sicherungen besitzen ein Thermoelement, Leitung mit Kontakt und „Magnetschalter“. Hier wird durch eine Zündflamme ein Thermoelement erwärmt. An einer Seite – der Warmlötstelle – sind die beiden Metalle – Kupfer und Konstantan – miteinander verbunden und ragen als Thermofühler in die Zündgasflamme. Bei ca. 600°C entsteht eine elektrische Spannung von ca. 30-35 mV (Milli-Volt) zwischen den beiden Metallen. Diese wird auf eine angeschlossen Magnetspule mit Weicheisenkern geleitet. Die Ankerplatte des Magnetventils wird über eine Mechanik auf den magnetisierten Weicheisenkern gedrückt. Die Gasarmatur bleibt so lange offen, bis das Thermoelement nicht mehr erwärmt wird. Das Brenngas kann fließen. Wenn die Flamme erlischt, kühlt das Thermoelement sehr schnell ab, die „Stromerzeugung“ hört auf und eine Feder schließt das Gasventil.
Sowohl bei der Bimetall- als auch bei der thermoelektrischen Zündsicherung muss das Starten der Geräte manuell erfolgen und eine Wach-, Pilot- bzw. Zündflamme brennt ständig. Beide Sicherungen sind nicht für Öl oder Festbrennstoffe geeignet.

Elektronische Flammenüberwachung
Hier laufen die Funktionen vollautomatisch bzw. überwacht ab. Diese können einen Zündvorgang auslösen und die Zünd- oder Hauptflamme direkt überwachen.
Die elektronische Flammenüberwachung besteht in der Regel aus einer Überwachungselektronik, z.B. einem Feuerungsautomat, einem thermischen oder optischen Sensor. Diese Teile bilden die feuerungstechnische Sicherheitsfunktion des Brenners. Sie dienen der Zündung sowie der Flammenüberwachung. Weitere Überwachungsfunktionen zur Verbrennungsqualität können in den Abgaswegen eingesetzt werden (Lambdasonden).

Ionisations-Flammenüberwachung
Auch flüssige oder feste Brennstoffe werden vor der unmittelbaren Verbrennung durch die Zünd- bzw. Brenntemperatur gasförmig. Eine Flamme kann Strom leiten. Aus einem an die Überwachungselektrode angelegten Wechselstrom wird durch die Flamme ein Gleichstrom geleitet. Dieser Strom dient als Signal für den Feuerungsautomaten. Zusammen mit weiteren Signalen werden die Funktionsabläufe zeitabhängig auf Plausibilität überprüft und ausgewertet. Der Feuerungsautomat steuert letztlich direkt den Brennstoffzufluss bzw. die Stromversorgung des Magnetventils von Gasarmaturen, der Ölpumpe oder von Förderschnecken.

Optische Zündsicherung
Hier wird mithilfe eines Fotowiderstandes oder einer UV-Diode eine brennende Flamme erkannt. Der Fotowiderstand erzeugt bei Lichteinfall einen geringen Gleichstrom. Das Signal wird zu dem Feuerungsautomaten geleitet, der entsprechend dem vorgegebenen Programm den Funktionsablauf bzw. die Brennstoffversorgung schaltet.
Bei den in einen Glaskolben eingebetteten Überwachungs­elektroden der UV-Diode wird ein Wechselstrom angelegt. Durch den (UV)-Lichteinfall einer Flamme wirkt das Gas im Glaskolben ionisierend bzw. gleichrichtend. Auch hier übernimmt der Feuerungsautomat das Signal.

Funktionsablauf von Brenneinrichtungen
Durch die Energiediskussion werden zwischenzeitlich auch Einzelöfen für Festbrennstoffe vollautomatisch betrieben. Ganz gleich, welcher Brennstoff bei automatisierten Feuerungsanlagen zur Anwendung kommt, ist die Überwachung des Zündvorganges, des Brennverlaufes und die Abschaltung im Regel- oder Störfall durchzuführen. In Abhängigkeit des Brennstoffes sind der Aufbau und die erforderlichen Komponenten des Brenners, Feuerraumes sowie der Abgasanlage unterschiedlich. Bei dem Funktionsablauf bzw. der Überwachung ist jedoch immer die Plausibilität maßgebend, die der Feuerungsautomat oder die Überwachungseinheit vorgibt bzw. erwartet.
Die Funktionslogik ist so aufgebaut:

  • Bereitschaftsstellung
  • Wärmeanforderung
  • Zündung vorbereiten
  • Zündvorgang
  • Flammenüberwachung
  • Regelbetrieb
  • Regelabschaltung
  • Störabschaltung


Bereitschaftsstellung
Die Anlage bedarf keiner Wärme, der Brenner ist ausgeschaltet, bzw. befindet sich in Bereitschaft.

Wärmeanforderung
Die Regelarmatur (Thermostat, witterungsgeführte Regelung o.a.) der Anlage schaltet den Feuerungsautomaten oder das für den brenntechnischen Ablauf verantwortliche elektronische Bauteil ein.

Überwachung (1 bis 7)
Der Ventilator beginnt zu laufen – Vorspül-Phase (1). Der gesamte Funktionsablauf zur Zündung, Flammenüberwachung, Regelbetrieb oder Störabschaltung ist unabänderlich programmiert. Hierbei sind Sicherheitszeiten, Zündzeiten, Brennstofffreigabe oder Ventilatorlaufzeiten fest vorgegeben. Der Gesamtablauf richtet sich nach der vorhandenen Kesselanlage, dem Brennersys­tem und verwendetem Brennstoff.

Zündvorbereitung (2)
Je nach verwendetem Brennstoff wird eine Zündeinrichtung (Zündelektrode, Glühzünder, Heißluftgebläse) eingeschaltet.

Zündvorgang (3)
Der Brennstoff (Gas, Öl, Hackschnitzel o.a.) wird in geringer Menge (Zündmenge) dem Verbrennungsraum zugeführt (4) und muss sich in vorgegebener „Sicherheitszeit“ entzünden. Während einer Sicherheitszeit (bei Gas < 2 Sek., bei Öl unter 3 Sek., bei Pellets ca. 20 bis 30 Sek.) muss es zu einer stabilen Flammenbildung kommen. Danach wird der Brennstoff in der eingestellten Menge zur Verbrennung geführt.
Kommt es während der Sicherheitszeit zu keiner stabilen Flamme, schaltet das für die Überwachung zuständige elektronische Bauteil die Brennstoffzufuhr sofort ab. Eventuell wird ein weiterer Startversuch mit meist kürzeren Sicherheitszeiten begonnen.

Regelbetrieb/Abschaltung (5?-?6)
Kommt es zu einer stabilen Flamme, geht die Anlage in den Regelbetrieb (5). Bei stabiler Flamme bleibt die Brennstofffreigabe so lange erhalten, wie Wärme angefordert wird. Ist die Solltemperatur erreicht, wird die Stromzufuhr zur Brennstoffversorgungseinrichtung (Magnetventil, Ölpumpe, Schneckengetriebe, Klappen o.a.) unterbrochen. Bei gas- und flüssigkeitsbetriebenen Anlagen erlischt die Flamme umgehend. Bei mit Festbrennstoff betriebenen Anlagen kann es noch zu geringem Nachbrand durch Brennstoffreste kommen. Wird keine Wärme mehr angefordert, schaltet das Steuergerät die Stromzufuhr zum Brennstoff (6) ab und geht wieder in Bereitschaftsstellung.

Störabschaltung (7)
Kommt es im Regelbetrieb zu einem Flammenausfall, greift eine Sicherheitsabschaltung mit Nachspülzeit und Verriegelung.

Sicherheitsfunktion
Bei Gas- und Ölfeuerungen prüfen die elektronischen Einrichtungen vor Freigabe der Brennstoffzufuhr, dass im Brennraum „keine“ Flamme vorhanden ist. Erst dann beginnt der Zündvorgang. In Abgaswegen kann mithilfe einer Lambdasonde zusätzlich die Verbrennungsqualität überwacht und durch Verstellen der Verbrennungsluftzufuhr geregelt werden.

 


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