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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anpassung der Gebläsedrehzahl eines geblä- seunterstützten Heizgerätes an eine individuelle Abgas- und Frischluftleitung.
Je nach Einbauort von Heizungsanlagen variiert die Länge von Luft-Abgas-Anlagen erheblich.
Hinzu kommt, dass Bögen und der Durchmesser der Leitungen einen wesentlichen Einfluss auf den Druckverlust der Luft-Abgas-Anlagen haben. Um eine Heizungsanlage mit Gebläseunterstützung in einem definierten Leistungsbereich betreiben zu können, ist es notwendig, die Gebläsedrehzahl an den Druckverlust der Luft-Abgas-Anlage anzupassen. Je höher der Druckverlust der Luft-Abgas- Anlage ist, desto höher muss auch die Gebläsedrehzahl sein. Der Abgasrohrlängenausgleich wird in der Regel über ein dem Volumenstrom proportionalen Differenzdruckmessung an einer Blende durchgeführt.
Aus der EP 1 002 998 A2 ist bekannt, dass bei gebläseunterstützten Heizgeräten die Brenn- gasmenge an die gemessene Luftmenge angepasst werden kann.
Aus der AT 396 820 B ist bekannt, dass in der Zündphase bewusst das Brenngas-Luft- Gemisch angefettet wird, um den Zündvorgang sicherzustellen.
Aus der AT 397 851 B ist bekannt, dass der Strömungswiderstand eines Gerätes mittels eines Membranventils variiert werden kann, um eine exakte Regelung des -Gebläses zu vermeiden.
Hierdurch wird der Strömungswiderstand bewusst erhöht, was stets eine maximale Gebläseauf- nahmeleistung zur Folge hat.
Die DE 100 26 002 A1 lehrt, dass mittels der Abkühlung eines beheizten Sensors im Luft- oder Abgasweg geprüft werden kann, ob ein Volumenstrom vorhanden ist. Aus der Schrift ist nicht bekannt, wie mittels einer solchen Messung eine Anpassung der Gebläsedrehzahl an den Strö- mungswiderstand einer Abgasleitung und gegebenenfalls Frischluftleitung erfolgen kann.
Aus der EP 341 323 A1 ist bekannt, wie mittels zweier Volumenstrommessungen, einer im Luftstrom und einer im Gasstrom, ein Brenngas-Luft-Verhältnis eingestellt werden kann.
Aus der EP 981 025 A2 ist bekannt, dass bei gebläseunterstützten Heizgeräten bei längeren Abgasleitungen höhere Gebläsedrehzahlen notwendig sind. Für definierte Rohrlängen sind Kennli- nien hinterlegt. Der Installateur wählt manuell eine Kennlinie aus. Eine automatische Anpassung der Drehzahl an die Rohrlänge ist aus der Entgegenhaltung nicht bekannt. Es erfolgt lediglich eine Regelung dahingehend, dass die Gebläse-Istdrehzahl an die Gebläse-Solldrehzahl gemäss Kenn- feld mittels Drehzahlerfassung und Rückkoppelung angepasst wird.
Aus der DE 198 47 448 A1 ist ein Verfahren zur Anpassung der Gebläsedrehzahl bekannt. Die- ses Verfahren basiert auf einer Druckmessung in der frischluftleitung. Aus der AT 800/2001 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem in der Abgasleitung eine Druckmessung vorgenommen wird.
Beide Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Messvorrichtung ausschliesslich zur Anpas- sung der Gebläsedrehzahl eines gebläseunterstützten Heizgerätes an eine individuelle Abgas- und Frischluftleitung genutzt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Anpassung der Gebläsedrehzahl eines gebläseunterstützten Heizgerätes an eine individuelle Abgas- und gegebenenfalls Frischluftleitung mittels eines kosten- günstigen Sensors, der vorzugsweise auch für andere Zwecke eingesetzt wird.
Erfindungsgemäss wird dies durch ein Verfahren gemäss des unabhängigen Anspruchs erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Verfahrensschritte kann eine Rohrlängenanpassung mittels .eines beheizten Sensors im Ansaug- oder Abgaskanal, der von dem Frischluft- oder Abgasstrom gekühlt wird, erfolgen.
Hierzu wird zunächst der Sensor bei mindestens zwei Referenzpunkten kalibriert. Anschlie- #end wird bei der individuellen Abgas- und gegebenenfalls Frischluftanlage, an welche die Hei- zungsanlage angepasst werden soll, wieder eine definierte Messung druchgeführt. Der Vergleich der Messwerte ist ein Mass für den Druckverlust der individuellen Abgas- und gegebenenfalls Frischluftanlage. Dementsprechend wird beim Betrieb des Heizgerätes die Drehzahl des Gebläses
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passt.
Durch die Merkmale des Anspruchs 2 werden vorteilhafte Messgrössen zur Durchführung des Kalibrierverfahrens beschrieben.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 3 werden vorteilhafte Stellgrössen bei der Durchführung des Kalibrierverfahrens beschrieben.
Gemäss den Merkmalen der Verfahrensansprüche 4 und 5 werden zwei alternative Tempera-
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tursensitivitäten des Sensors beschreiben.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 6 wird der variierende Widerstand der individuellen Abgas- und gegebenenfalls Frischluftanlage durch eine Anpassung der Drehzahl um einen vorge- gebenen Offset erreicht. Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 7 wird der variierende Widerstand der individuellen Abgas- und gegebenenfalls Frischluftanlage durch eine Anpassung der Drehzahl- Stellgrösse-Kennlinie erreicht.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 ein Heizgerät zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 den Aufbau des Sensors und
Fig. 3 die Schaltung des Sensors.
Fig. 4 Drehzahl und Messwiderstand beim Kalibrieren,
Fig. 5 die Kennlinie für die Anpassung der Drehzahl an das Messergebnis,
Ein Heizgerät 1 gemäss Fig. 1 verfügt über eine Unterdruckkammer 5, in welcher sich die Kom- ponenten befinden, an welche ein Abgasrohr 3 und ein dazu koaxiales Frischluftrohr 6 angeschlos- sen sind. Ein Luftansaugrohr 11 ist mit einem Gebläse 9 mit Motor 10 und Drehzahlerfassung 18, dieses Gebläse 9 wiederum mit einem Brenner 4 in einer Brennkammer 7 verbunden. Die Brenn- kammer 7 wird von einem Wärmeaustauscher 8 begrenzt, an den sich das Abgasrohr 3 anschliesst.
Im Abgasrohr 3 ist ein Sensorelement 2 angeordnet. Als Einbauort kann alternativ auch der vom Abgas durchströmte Abgassammler hinter dem Wärmeaustauscher 8 vor dem Abgasrohr 3 gewählt werden. Das Sensorelement 2 beinhaltet ein Heizelement 22 und einen Sensor-Teil 21. In das Luftansaugrohr 11 ragt eine Gaszuführung 12, welche über eine Gasarmatur 13, welche über einen Antrieb 14 verfügt, mit einem Gasanschluss 15 verbunden ist. Der Motor 10 und die Dreh- zahlerfassung 18 des Gebläses 9 sowie der Antrieb 14 der Gasarmatur 13 sind mit einer Steue- rung 16, die ein Speicherelement 17 beeinhaltet, verbunden. Das Heizelement 22 und Sensor-Teil 21 des Sensorelementes 2 sind über mehradrige Elektroden 24 und 25 ebenfalls mit der Steuerung 16 verbunden.
Im Betrieb saugt das Gebläse 9 über die Frischluftleitung 6, die Unterdruckkammer 5 und das Luftansaugrohr 11Frischluft aus der Umgebung an. In dem Luftansaugrohr 11wird die Luft mit Brenngas aus der Gaszuführung 12 angereichert. Das Brenngas-Luft-Gemisch gelangt in den Brenner 4, wird in der Brennkammer 7 verbrannt, im Wärmeaustauscher 8 abgekühlt und strömt durch das Abgasrohr 3 in die Umgebung. Bedarfsabhängig wird die Leistung des Gerätes geregelt oder gesteuert. Hierzu wird häufig die Vorlauftemperatur eines Heizkreislaufes erfasst und dem- nach eine Sollleistung errechnet. Entsprechend der Sollleistung wird der Motor 10 des Gebläses 9 angesteuert.
Entweder wird die Brenngasmenge durch entsprechende Steuerung des Antriebs 14 der Gasarmatur 13 gesteuert oder mittels eines pneumatischen Brenngas-Luft-Verbundes wird die Brenngasmenge und somit die Belastung an die Luftmenge angepasst. Der Betrieb eines Heizge- rätes zwischen Minimallast und Maximallast wird auch als Leistungsmodulation bezeichnet.
Fig. 2 zeigt das Sensorelement 2 mit dem Heizelement 22, einer Trennschicht 23 und dem Sensor-Teil 21. Der Gassensor-Teil 21 reagiert auf ein bestimmtes Messgas im Abgasstrom durch Widerstandsänderung. Der elektrische Widerstand des Sensor-Teils ist somit ein Mass für die Konzentration des zu detektierenden Gases. Der Gassensor-Teil 21 basiert z. B. auf Galliumoxid (Gaz03) und wird bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 400 und 800 C eingesetzt. Um diese Arbeitstemperatur zu erreichen, ist auf der einen Seite des Sensorelementes 2 das Heizele- ment 22 angebracht. An dem Heizelement 22 befinden sich Elektroden 25, die mit der Steuerung 16 verbunden sind. Der Gassensor-Teil 21 ist mittels Elektroden 24 ebenfalls mit der Steuerung 16 verbunden.
Mit Hilfe einer elektronischen Regelung wird die Leistung des Heizelementes 22 kon- stant gehalten. Hierzu gibt die Regelung als Stellgrösse eine bestimmte Spannung U vor ; Strom I, welcher das Heizelement 22 durchströmt, wird gemessen, wodurch die Regelgrösse Heizleistung P = U * I bestimmt wird. Über eine Veränderung der vorgegebenen Spannung lässt sich die Heiz- leistung anpassen.
P = U 2 * R- 1
Das Heizelement 22 verfügt über Platindrähte in Mäanderform. Der elektrische Widerstand ist temperaturabhängig. Für den Widerstand des Heizers RH bei einer bestimmten Heizertemperatur
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TH gilt
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Wobei a und b materialabhängige Konstanten sind.
Wird das Heizelement 22 an eine Konstantspannungsquelle mit der Spannung UH angeschlos- sen, so stellt sich eine temperaturabhängige Heizleistung PH=UH*lH=UH2/RH=UH2/(RH bei 20 C ¯ (1 + a * TH + b * TH 2 ein.
Der elektrische Widerstand RSENs der Galliumoxidschicht (Ga203) des Gassensor-Teils 21 ist von der Temperatur und der Konzentration des Messgases abhängig.
In einer Schaltung gemäss Fig. 3 lässt sich der elektrische Widerstand RSENs der Galliumoxid- schicht (Ga203) des Gassensor-Teils 21 gemäss der Formel
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bestimmen, wobei UM eine Festspannungsquelle und die Widerstände R1, R2 und R3 konstant sind.
Zum Anpassen des Heizgerätes an die indivduelle Abgas- und gegebenenfalls Frischluftleitung wird zunächst das Heizelement 22 mit einer vorgegebenen Heizleistung auf die bestimmte Heizer- temperatur TH aufgeheizt, wodurch auch der Gassensor-Teil 21 auf die gleiche Sensortemperatur Tsens (= TH) aufgeheizt wird und einen elektrischen Widerstand Ro hat.
Bei bekannter Abgas- und Frischluftleitung wird nun - wie aus Fig. 4 ersichtlich - das Gebläse 9 derart angesteuert, dass sich eine bestimmte Drehzahl n1 ergibt. Die Drehzahl wird mit der Dreh- zahlerfassung 18 erfasst. Hierdurch ergibt sich ein bestimmter Frischluftvolumenstrom, der den Gassensor-Teil 21 kühlt. Es findet keine Brenngaszumischung und Verbrennung statt. Durch die Kühlung des Gassensor-Teils 21 mit negativem Temperaturkoeffizienten erhöht sich dessen elekt- rischer Widerstand auf einen Wert R1 ( > Ro). Der Widerstand R1 wird im Speicherelement 17 der Steuerung 16 abgelegt. Nun wird die Drehzahl auf eine vorgegebene Drehzahl n2 erhöht, wodurch der Gassensor-Teil 21 weiter gekühlt wird und sich ein Widerstand R2 ( > R1) einstellt. Der Wider- stand R2 wird auch im Speicherelement 17 der Steuerung 16 abgelegt.
Die Widerstandsdifferenzmessung A R = R2 - Ri gilt als Referenz für die Widerstandsänderung bei vorgegebener Luft-Abgas-Anlage und wird ebenfalls im Speicherelement 17 der Steuerung 16 abgelegt.
Wird das Heizgerät 1 an eine individuelle, unbekannte Luft-Abgas-Anlage angeschlossen, so findet zunächst eine Anpassung statt. Hierzu wird das Gebläse 9 wieder zunächst mit einer Dreh- zahl n1 betrieben und der Widerstand R1 gemessen ; das gleiche gilt für die Drehzahl n2 und den Widerstand R2 sowie die Widerstandsdifferenzmessung A R; = R2,- R1,
Durch die unterschiedlichen strömungstechnischen Widerstände der unterschiedlichen Luft- Abgas-Anlagen ergeben sich bei gleicher Drehzahl n1 (bzw. n2) jeweils andere Luftvolumenströme.
Der Luftvolumenstrom ist proportional zur Abkühlung des Gassensor-Teils 21, so dass sich bei unterschiedlichen strömungstechnischen Widerstände zweier Luft-Abgas-Anlagen und gleicher Drehzahl n, (bzw. n2) jeweils andere Widerstände einstellen.
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zahlanpassung bestimmen. Eine Anpassungskennlinie gemäss fig. 5 geht davon aus, dass die Referenzmessung bei bekannter Luft-Abgas-Anlage die zulässige Anlage mit dem geringsten Druckverlust ist. In Abhängigkeit der Widerstandsmessung wird die Gebläsedrehzahl um einen festen Offset angehoben.
Dies hat zur Folge, dass ein Heizgerät 1, das bei der Referenzmessung zum Beispiel zwischen 1000 U/min (Minimallast) und 3000 U/min (Maximallast) betrieben wird, bei einer Widerstandsänderung von 100 kOhm bei der individuellen Luft-Abgas-Anlage nun zwischen 1250 U/min (Minimallast) und 3250 U/min (Maximallast) betrieben wird.
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Optional kann auch nur ein Messpunkt zur Offsetbestimmung ausreichen. Somit werden bei- spielsweise lediglich R2 mit R2 verglichen. Auch ist es möglich neben dem Offset eine Anpassung der Steilheit der Kennlinie vorzunehmen, um bei hohen Drehzahlen die Drehzahl mehr zu erhöhen als bei kleineren. Hierdurch wird berücksichtigt, dass der Volumenstrom (zumindest im oberen Bereich) nicht linear, sondern degressiv zur Drehzahl zunimmt.
Alternativ zu der Regelung der Heizleistung des Heizelementes 22 gibt es Heizelemente, deren Widerstand sich in Form einer Parabel zweiter Ordnung in Abhängigkeit der Temperatur derart ändert, dass sich bei der Temperatur des Minimums des Widerstandes ein Gleichgewichtszustand einstellt. Bei einer konstanten Spannung stellt sich somit immer die gleiche Temperatur ein. Alter- nativ kann ein derartiger Heizer mit einem konstanten Strom beaufschlagt werden, wodurch sich eine bestimmte Spannung und ebenfalls eine konstante Temperatur einstellt. In diesem Fall ist zu beachten, dass sich die Temperatur des Gassensor-Teils 21 von der Temperatur des Heizelemen- tes 22 durch thermische Dämmung unterscheiden muss, damit der Gassensor-Teil 21 durch Tem- peraturänderung eine Volumenstrommessung ermöglicht.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Anpassung der Gebläsedrehzahl eines gebläseunterstützten Heizgerätes (1 ) an eine Abgasleitung (3) und gegebenenfalls Frischluftleitung (6), mit einem im Ansaugka- nal oder vom Abgas durchströmten Bereich beheizten Sensor (2), dessen elektrischer
Widerstand zumindest im Einsatzbereich monoton temperaturabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass unter Referenzbedingungen der Abgasleitung (3) und gegebenen- falls der Frischluftleitung (6) der Sensor (2) auf mindestens eine definierte Art vorzugswei- se eine definierte Sensortemperatur, eine vorgegebene Spannung oder ein vorgegebener
Strom angesteuert beziehungsweise belastet wird, dabei mindestens eine Messgrösse vor- zugsweise ein sich einstellender Strom, eine Spannung oder eine Temperatur aufgenom- men wird, der Sensor (2) bei Anschluss an die anzupassende Abgasleitung (3)
und gegebenenfalls an die Frischluftleitung (3) auf mindestens eine definierte Art vorzugsweise eine definierte
Sensortemperatur, eine vorgegebene Spannung oder ein vorgegebener Strom angesteuert beziehungsweise belastet wird, dabei mindestens eine Messgrösse vorzugsweise ein sich einstellender Strom, eine Spannung oder eine Temperatur aufgenommen wird und aus den Messgrössen der Referenzmessung und der Anpassungsmessung ein Mass für den Strömungswiderstand der Abgasleitung (3) und gegebenenfalls der Frischluftleitung (6) bestimmt wird und beim Betrieb des Heizgerätes (1) beim Modulieren des Heizgerätes (1 ) die Drehzahlsteuerung in Abhängigkeit dieses Masses für den Strömungswiderstand der
Abgasleitung (3) und gegebenenfalls der Frischluftleitung (6) erfolgt.