ES2710378T3 - Procedimiento mejorado y dispositivo para detectar la llama en un quemador que funciona con combustible sólido, líquido o gaseoso - Google Patents

Procedimiento mejorado y dispositivo para detectar la llama en un quemador que funciona con combustible sólido, líquido o gaseoso Download PDF

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Abstract

Procedimiento para detectar la llama en un quemador de carburante sólido, líquido o gaseoso, generándose dicha llama en un electrodo de ionización (1), dando lugar la presencia de la llama a un efecto ionizante en dicho electrodo (1) para generar en este último una corriente continua, detectándose dicha corriente mediante un circuito de detección adecuado (3) que comprende una unidad de control (7), estando esta última conectada a un circuito (8) para detectar una corriente de llama, es decir, una corriente correspondiente al estado de la llama, comprendiendo dicho procedimiento generar una señal de tensión alterna, dirigida hacia el electrodo (1), en forma de onda, amplitud y ciclo de trabajo tales que se reduzca a un valor menor de 1 la relación de la corriente continua que fluye a través del electrodo a la corriente de llama medida y dicha señal de tensión presenta un ciclo de trabajo, es decir, una parte positiva, variable entre el 0,1 % y el 99 %, ventajosamente entre el 1 % y el 30 %, estando dicho procedimiento caracterizado por que: - dicha señal de tensión alterna se genera mediante un generador (5) de impedancia relativamente baja, entre 50 KOhm y 5 MOhm, y - dicho procedimiento comprende medir el valor de la corriente negativa debida a elementos parásitos por medio de la unidad de control (7), restando esta última este valor del valor de la corriente o corriente positiva medida en la parte positiva de la tensión de alimentación, que se origina en el electrodo (1) y se genera tanto mediante su ionización debido a la llama como mediante el propio elemento parásito, lo que permite identificar un valor para la corriente generada de forma efectiva solo por la llama en el electrodo.

Description

DESCRIPCION
Procedimiento mejorado y dispositivo para detectar la llama en un quemador que funciona con combustible solido, Kquido o gaseoso.
La presente invencion se refiere a un procedimiento para observar o detectar la presencia de llama en un quemador de carburante solido, lfquido o gaseoso, de acuerdo con la introduccion a la reivindicacion principal. La invencion tambien se refiere a un dispositivo sensor para dicho quemador de acuerdo con la introduccion a la reivindicacion independiente correspondiente.
En un quemador del tipo de carburante o combustible solido, lfquido o gaseoso es conocida la importancia de detectar la llama con el fin de supervisar y verificar el funcionamiento del quemador. Tambien es importante verificar la combustion correcta en el quemador para determinar si la caldera funciona dentro de parametros predeterminados desde el punto de vista del control de la emision de productos de combustion contaminantes a la atmosfera.
Para llevar a cabo dicha deteccion (y supervision) de llama, un procedimiento de un tipo conocido utiliza el efecto conocido de rectificacion de llama generado por la combustion de un combustible solido, lfquido o gaseoso en un quemador. En virtud de este efecto, se puede detectar la formacion de la llama mediante la integracion y medicion de una corriente continua que fluye por un electrodo situado en el quemador (superficie reducida) y alimentado mediante tension alterna en el plano del quemador (superficie extendida).
Este fenomeno se utiliza comunmente para detectar la presencia de la llama y, al estar (vease por ejemplo, la publicacion de 1970 "Brulers Industriels a Gaz" de Pierre Hostallier) relacionado con la calidad de la combustion de la llama, tambien como sensor de retroalimentacion del proceso de combustion.
El documento US 2006/0257804A describe un procedimiento para la deteccion de llama de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.
En procedimientos conocidos y sistemas o dispositivos correspondientes, se "construye" un circuito equivalente de quemador en el que el modelo de llama equivalente se simplifica de forma usual por medio de un primer ramal electrico que comprende un diodo en serie con un resistor de bajo valor ohmico (tfpicamente entre 100 KOhm y 10 MOhm) conectados en paralelo con un segundo ramal que presenta una elevada resistencia (tfpicamente entre 50 y 100 MOhm). Durante la fase de alimentacion positiva del dispositivo (tension alterna en la fase positiva), la corriente circula a traves del primer ramal; durante la fase negativa de la onda alterna, la corriente circula por el segundo ramal. Esta ultima corriente es normalmente de un valor insignificante, por lo que normalmente no se ha considerado ya que no presenta ninguna influencia en la evaluacion de la senal de llama realizada hasta el momento. En estos dispositivos conocidos, el electrodo se situa en la llama y se energiza mediante la tension; al utilizar el fenomeno de ionizacion mencionado anteriormente, se detecta un paso de corriente continua (normalmente mediante un circuito de integracion de senal) en el electrodo que corresponde a la presencia de la llama. Esta corriente se atribuye esencialmente a la que circula en el primer ramal electrico que representa el modelo de llama. Esta corriente contiene tanto un valor correspondiente al generado por la llama (y por lo tanto relacionado con la combustion) como un valor correspondiente a una posible corriente parasita generada por factores externos a la llama (por ejemplo, humedad, impurezas en la placa de circuito del dispositivo de control, etc.). En consecuencia, con los dispositivos conocidos, la "senal de llama" detectada puede ser una senal espuria, no solo relacionada con la combustion del combustible.
La tension alterna que se utiliza normalmente puede presentar varias formas, por ejemplo sinusoidal, triangular, de onda cuadrada, intermitente (veanse, por ejemplo, las figuras 6 a 9), pero se caracteriza por presentar un valor promedio virtualmente cero (considerado como la suma de la parte positiva y parte negativa).
En particular cuando se considera su uso como retroalimentacion en el proceso de combustion, los procedimientos de deteccion convencionales presentan ciertas limitaciones, que incluyen las siguientes:
A. Por lo general, la elevada impedancia del circuito de alimentacion del electrodo es tal, que los niveles de corriente de la llama (es decir, aquellos relacionados con la combustion) en las restringidas condiciones de combustion correcta resultan muy diffciles de distinguir, ya que la curva de correlacion entre la llama y los parametros de combustion (senal lambda de la llama) se vuelve plana, en particular a alta potencia de llama y senal. Los sistemas comerciales tfpicamente funcionan en corrientes de llama de entre 5 y 30 microamperios.
B. Dependencia de la senal con la formacion de oxido en la barra del electrodo. Estos oxidos forman una capa aislante entre el electrodo y la llama y, con el tiempo, dan lugar a una reduccion de la senal de la llama y, a veces, a la inestabilidad de la misma. Estos fenomenos pueden afectar a la fiabilidad de la lectura de la correlacion entre la llama y la senal de calidad de combustion y, a pesar de la reverificacion periodica y de los algoritmos de reposicion automatica, conducen al funcionamiento de la caldera, de forma temporal o a largo plazo, en condiciones de combustion incorrectas.
C. La posible presencia de impedancias parasitas (por ejemplo, debido a la elevada humedad o la formacion de condensacion) entre el electrodo y la referencia (el plano del quemador) que falsea la lectura correcta de la senal de llama con las consecuencias descritas en el punto B anterior).
D. En sistemas de bajo coste, la lectura se realiza utilizando elementos de circuito de alta impedancia. De nuevo en este caso, la presencia de impedancias parasitas en el nivel de circuito (impurezas o humedad o condensacion en la placa electronica que lleva dichas impedancias) conduce a lo ya descrito en los puntos B) y C) anteriores.
Muchos dispositivos disponibles comercialmente presentan los inconvenientes y limitaciones anteriores: en particular, a partir de las comprobaciones en algunos de dichos dispositivos del tipo de caldera de gas, se ha puesto de manifiesto que las limitaciones anteriores dan lugar a diversos inconvenientes practicos, entre ellos: - la caldera funciona de modo permanente o a largo plazo con parametros de combustion que difieren incluso significativamente del valor optimo o deseado y, de forma frecuente, fuera de los parametros de combustion de "baja contaminacion" definidos por las normativas;
- funcionamiento similar a "hipo" debido a la posible formacion de impedancia parasita temporal (por ejemplo, humedad que se forma y luego desaparece por calor);
- funcionamiento de la caldera con los parametros completamente fuera del rango permisible; esto puede llevar a la necesidad de un nuevo procedimiento de configuracion automatica del sistema (este termino de debera entender como la combinacion de dispositivo de control, quemador, electrodo y elementos relacionados) para intentar conseguir la combustion correcta (pero que puede no lograr el resultado deseado debido a lo expuesto anteriormente) o puede llevar, en el peor de los casos, a la interrupcion completa del funcionamiento de este sistema y de la caldera, con consecuencias en la comodidad del usuario.
Un objetivo de la presente invencion es proporcionar un procedimiento y un dispositivo de aplicacion de deteccion de llama en un quemador de carburante solido, lfquido o gaseoso que representa una mejora en comparacion con los procedimientos conocidos y con los dispositivos de aplicacion conocidos.
Un objetivo particular de la invencion es proporcionar un procedimiento que permita el funcionamiento correcto de la caldera con el proposito de lograr con el tiempo una mayor constancia de los parametros de combustion. Otro objetivo es proporcionar un procedimiento que permita controlar la combustion de la caldera para un rango de potencia amplio de funcionamiento del quemador.
Un objetivo adicional es proporcionar un procedimiento y un dispositivo correspondiente que permita la limitacion de la aparicion de fenomenos parasitos en la caldera que afectan a la combustion optima.
Otro objetivo es proporcionar un procedimiento mediante el que la funcionalidad obtenida del sistema sea virtualmente independiente de la formacion de capas de oxido en el electrodo de deteccion de llama.
Estos y otros objetivos que se pondran de manifiesto para un experto en la tecnica se consiguen mediante un procedimiento y un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
La presente invencion se pondra de manifiesto con mas claridad a partir de los dibujos adjuntos, que se proporcionan a tttulo de ejemplo no limitativo y en los que:
la figura 1 muestra un esquema de bloques de un posible dispositivo que incorpora la invencion;
las figuras 2 a 5 muestran graficos relativos a varias formas de onda de tension en funcion del tiempo, que se pueden utilizar en el procedimiento de la invencion;
las figuras 6 a 9 muestran graficos relativos a varias formas de onda utilizadas normalmente en dispositivos disponibles comercialmente;
la figura 10 muestra un diagrama de circuito simplificado del dispositivo de la figura 1.
Haciendo referencia a dichas figuras, se dispone un electrodo de ionizacion 1 de manera conocida en una llama 2 de un quemador alimentado con un carburante que puede ser gaseoso, lfquido o solido. Dicho electrodo 1 esta conectado a un circuito de deteccion y control de llama 3 que funciona de acuerdo con el procedimiento de la presente invencion.
De acuerdo con la invencion, el electrodo 1 se alimenta con tension alterna mediante un generador o fuente 5 de impedancia interna relativamente baja. Dicha fuente 5 o generador de tension alterna para el electrodo 1 se controla mediante una unidad de control 7 que recibe una senal de realimentacion de un circuito de deteccion de corriente de llama 8 conocido (por ejemplo, que comprende una derivacion) que detecta la corriente correspondiente al estado de la llama 2. La impedancia interna del generador es tal, que permite medir el valor de corriente de llama, que normalmente se encuentra entre 15 y 200 microamperios, segun el regimen de funcionamiento del quemador y del tipo de combustible.
El electrodo 1 se alimenta con tension alterna (esto significa una senal en parte con polaridad positiva del electrodo hacia tierra y en parte con polaridad negativa del electrodo hacia tierra) de amplitud variable de entre 2 V y 1000 V, de forma ventajosa entre 10 V y 200 V. La senal de tension presenta una frecuencia de entre 1 Hz y 10 KHz, de forma ventajosa entre 10 Hz y 2 KHz, y una variable de ciclo de trabajo entre el 0,1 % y el 99,9 %, de forma ventajosa entre el 1 % y el 30 %. Dicha senal de tension puede presentar un valor positivo en un rango de tiempo mucho mas pequeno que el rango en el que el valor de tension es negativo. Dicho de otro modo, la parte positiva de la senal puede presentar una duracion mucho mas corta que la parte negativa de la senal, dentro de cada penodo.
Mas espedficamente, segun el procedimiento de la invencion, la corriente que circula por el electrodo 1, alimentado por una tension alterna de la forma mencionada anteriormente, se mide de acuerdo con el efecto ionizante de la llama 2 con la que el electrodo 1 esta en contacto. Sobre la base de los valores de corriente de llama predefinidos para el tipo de quemador y el tipo de carburante en particular (establecidos en la etapa de diseno sobre la base de las pruebas realizadas en varios tipos de quemadores y carburantes), el ciclo de trabajo y la amplitud de la parte positiva y la parte negativa de la forma de onda de la tension que alimenta el electrodo se definen de manera que reduzcan la relacion de la corriente continua que fluye a traves del electrodo a la corriente de llama medida a un valor menor que 1, preferentemente mucho menor que 1.
Mediante el uso de la invencion, el sistema que se obtiene es claramente independiente de la influencia negativa de la senal de llama ocasionada por la formacion de capas de oxido en la superficie del electrodo de deteccion. De este modo se reduce al mmimo la influencia en el sistema de una de las causas principales que pueden afectar a la confiabilidad de la lectura de la senal de correlacion de la calidad de la combustion de llama (lo que tambien permite obtener un control continuo y correcto de la combustion que tiene lugar dentro del quemador con el fin de evitar la emision de gases de escape en porcentajes fuera de la norma); mediante el uso de la fuente de tension 5 de impedancia relativamente baja y con una senal de tension, tal como se ha descrito anteriormente, la invencion tambien permite reducir la influencia de las impedancias parasitas en la unidad de control de combustion 7 de modo que tambien sea posible la medicion correcta de la senal generada por el electrodo en presencia de una llama y con respecto solo a esta ultima.
Esta reduccion de la influencia de las impedancias parasitas se vincula tanto con el uso de componentes del circuito con impedancias bajas como con el uso de un procedimiento particular para medir la corriente consecuencia de los elementos parasitos externos que se describen a continuacion.
Esto tambien facilita el uso de la presente metodologfa para la verificacion de la combustion, incluyendo en sistemas con un amplio rango de potencia de funcionamiento.
El dispositivo de la invencion, aunque es poco sensible a los elementos parasitos, se utiliza tanto para medir la corriente en relacion con la senal de llama (incluso aunque contenga posibles influencias de componentes parasitos externos, senal definida como positiva por convencion), como para leer el componente negativo de la corriente que fluye por el electrodo, es decir, la corriente debida unicamente a los elementos parasitos (por ejemplo, la humedad).
A este respecto, se representa el elemento parasito mediante una resistencia 10, se mide la corriente que circula por la misma cuando la senal de tension alterna se encuentra en la parte negativa. Esta medicion se obtiene de un modo ya conocido por el experto en la tecnica y, por lo tanto, no se tratara adicionalmente.
Esta corriente (parasita o negativa) se mide mediante la unidad 7 que, por lo tanto, recibe la senal de retroalimentacion negativa generada por esta resistencia (y que contiene solo el valor de la corriente parasita) y la senal positiva que contiene el valor de la suma de la corriente de llama If y la corriente parasita lp; mediante la utilizacion de un algoritmo de calculo, la unidad 7 toma la diferencia entre los valores medidos e identifica el valor de la corriente debida solo a la llama (If).
De esta manera, con la invencion es posible medir impedancias parasitas en el electrodo, lo que hasta ahora no se habfa realizado en el estado de la tecnica. Se debera observar que, en el modelo de llama que se muestra esquematicamente en la figura 1, la corriente inversa debida solo a la llama (que circula por la resistencia en paralelo con el diodo) se muestra como una fraccion del orden de 1/100 a 1/200 de la corriente continua y, por lo tanto, insignificante; la corriente inversa medida cuando la senal de tension de alimentacion se encuentra en su parte negativa se atribuye en consecuencia totalmente a fenomenos parasitos. Por lo tanto, la medicion realizada es "cancelada" por la medicion de la corriente (continua) para dar como resultado solo el valor que depende de la calidad de la llama.
Por lo tanto, el sistema definido de esta manera es autoadaptativo incluso en presencia de impedancias parasitas exteriores extremadamente bajas (del orden de cientos de KOhms igual a entre 1/2 y 1/3 de la senal de llama directa), a las que no es sensible.
El sistema tambien es virtualmente no sensible a la formacion de oxido en la varilla del electrodo de deteccion de llama.
Todas estas caractensticas, confirmadas mediante experimentacion, comportan que el dispositivo de la presente invencion proporcione una verificacion de la combustion mejorada en comparacion con los dispositivos disponibles actualmente y que sea capaz de actuar en el actuador de regulacion de combustion y en el actuador de regulacion de alimentacion de aire al quemador, de modo que se alcancen unos parametros predeterminados. La invencion asegura que los parametros de funcionamiento que requiere el quemador se mantengan de un modo mas fiable con el tiempo, reduciendo, de este modo, al mmimo la necesidad de (o de hecho, no requiriendo) procedimientos periodicos de reposicion automatica.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para detectar la llama en un quemador de carburante solido, Kquido o gaseoso, generandose dicha llama en un electrodo de ionizacion (1), dando lugar la presencia de la llama a un efecto ionizante en dicho electrodo (1) para generar en este ultimo una corriente continua, detectandose dicha corriente mediante un circuito de deteccion adecuado (3) que comprende una unidad de control (7), estando esta ultima conectada a un circuito (8) para detectar una corriente de llama, es decir, una corriente correspondiente al estado de la llama, comprendiendo dicho procedimiento generar una senal de tension alterna, dirigida hacia el electrodo (1), en forma de onda, amplitud y ciclo de trabajo tales que se reduzca a un valor menor de 1 la relacion de la corriente continua que fluye a traves del electrodo a la corriente de llama medida y dicha senal de tension presenta un ciclo de trabajo, es decir, una parte positiva, variable entre el 0,1 % y el 99 %, ventajosamente entre el 1 % y el 30 %, estando dicho procedimiento caracterizado por que:
- dicha senal de tension alterna se genera mediante un generador (5) de impedancia relativamente baja, entre 50 KOhm y 5 MOhm, y
- dicho procedimiento comprende medir el valor de la corriente negativa debida a elementos parasitos por medio de la unidad de control (7), restando esta ultima este valor del valor de la corriente o corriente positiva medida en la parte positiva de la tension de alimentacion, que se origina en el electrodo (1) y se genera tanto mediante su ionizacion debido a la llama como mediante el propio elemento parasito, lo que permite identificar un valor para la corriente generada de forma efectiva solo por la llama en el electrodo.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la senal de tension se genera sobre la base del tipo de quemador y del carburante quemado en el mismo.
3. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que dicha senal de tension alterna presenta una amplitud variable entre 2 V y 1000 V, ventajosamente entre 10 y 200 V.
4. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que dicha senal de tension presenta una frecuencia entre 1 Hz y 10 KHz, ventajosamente entre 10 Hz y 2 KHz.
5. Dispositivo para detectar una llama en un quemador de carburante solido, lfquido o gaseoso, comprendiendo dicho dispositivo un electrodo de ionizacion (1) situado en la llama, ionizando esta ultima el electrodo y generando una corriente continua en el mismo, detectandose dicha corriente mediante un circuito de deteccion (3) que comprende una unidad de control (7) para controlar la combustion correcta del carburante dentro del quemador, conectandose dicha unidad a un circuito (8) para detectar una corriente de llama, es decir, una corriente correspondiente al estado de la llama, comprendiendo dicho dispositivo un generador de tension (5) dispuesto para generar una senal de tension alterna, dirigida hacia el electrodo (1), en forma de onda, amplitud y ciclo de trabajo tales que se reduzca a un valor menor de 1 la relacion de la corriente continua que fluye a traves del electrodo a la corriente de llama medida, permitiendo de este modo la obtencion de una correlacion entre la corriente de llama y los parametros de combustion predeterminados que resulte mas fiable con el tiempo, estando dicho dispositivo caracterizado por que:
- dicho generador de tension presenta una impedancia relativamente baja, entre 50 KOhm y 5 MOhm y tal que permita la medicion de un valor de corriente de llama normalmente entre 15 y 200 microamperios, y - la unidad de control (7) esta configurada para medir el valor de la corriente negativa debida a elementos parasitos y para restar este valor del valor de corriente o corriente positiva medida en la parte positiva de la tension de alimentacion, que se origina en el electrodo (1) y se genera tanto mediante su ionizacion debida a la llama como mediante el propio elemento parasito, lo que permite identificar un valor para la corriente generada de forma efectiva solo por la llama en el electrodo.
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