AT506282B1 - Verfahren zur automatischen steuerung einer verbrennungsvorrichtung für festbrennstoffe - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506 282B1 2009-11-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung für Festbrennstoffe. Diese Vorrichtung besteht aus einer von einem Motor angetriebenen Zufuhrvorrichtung für Brennstoffe, einer Steuereinheit die mit Befehlen den Betrieb des Brennstoffzufuhrmotors steuert und einem Festbrennstoffofen.

STAND DER TECHNIK

[0002] Festbrennstoffe weisen eine Anzahl signifikanter Vorteile gegenüber Heizöl auf; sie sind im Allgemeinen billiger, in großen Mengen lokal verfügbar, und sie sind Teil eines natürlichen Kreislaufes und belasten trotz ihrer Kohlendioxidemissionen die Umwelt nicht, da sie auf nachwachsenden Rohstoffen wie Holz oder anderen Bioprodukten basieren, welche während ihres Wachstums die entsprechende Menge Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen und mittels Photosynthese in Biomasse umgewandelt haben.

[0003] Dennoch werden Festbrennstoffe nur in vergleichsweise geringem Ausmaß zu Heizzwecken verwendet. Der Hauptgrund dafür ist, dass es verhältnismäßig schwierig ist die Verbrennung von Festbrennstoffen zu automatisieren. Weiter ist es schwierig die Verbrennung so zu automatisieren, dass es zu einer effizienten Verbrennung in verschiedenen Leistungsstufen kommt, ohne dass dabei mit den Brenngasen Stoffe ausgestoßen werden, welche die Umwelt schädigen.

[0004] Ein spezifisches bei Festbrennstoffen auftretendes Problem, welches bei der Verbrennung von Heizöl nicht existiert, ist der Qualitätsunterschied zwischen unterschiedlichem Heizgut wie beispielsweise Pellets aus verschiedenen Holzsorten, Sägemehl, Hobelspänen, oder Hackschnitzel unterschiedlicher Größe.

[0005] Bei derartigen Verbrennungsvorrichtungen für Festbrennstoffe ist es vom Wirkungsgrad her erwünscht, dass nahezu der gesamte Sauerstoff, der der Verbrennungskammer zugeführt wird, nach einer vollständigen Verbrennung aufgebraucht ist. Wird dem Verbrennungsprozess jedoch eine unzureichende Menge an Sauerstoff zugeführt, können nicht verbrannte pyrolytische Gase produziert werden, die das Risiko einer Explosion in sich bergen.

[0006] Lange Zeit wurden Festbrennstofföfen mit einer bestimmten Menge Brennstoff bestückt und die Verbrennung ausschließlich über die Regulierung der Luft- und damit Sauerstoffzufuhr geregelt.

[0007] Neuartige Verbrennungsvorrichtungen verfügen dagegen häufig über eine kontinuierliche Beschickung des Brennraums mit Festbrennstoff, beispielsweise mittels einer motorbetriebenen Förderschnecke. Hier kann die Verbrennung und damit auch die Leistung des Ofens über eine Regulierung der zugeführten Brennstoffmenge erfolgen. Bei neueren Anlagen sind hier Wahlschalter vorgesehen, mittels derer der Betreiber manuell zwischen unterschiedlichen Brennstoffe umschalten kann.

[0008] Aus der EP 1 036 287 B1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Erhitzung von Wasser bekannt, bei der eine Brennstoffchargenzustelleinheit mit Unterbrechungen arbeitet, gesteuert über eine Steuereinheit, welche die Temperatur in der Heißwasserleitung als Führungsgröße verwendet und damit die Heizleistung steuert.

[0009] Weiter ist in der DE 200 07 801 U1 ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Messvorrichtung ein Messsignal über die Inhalte des Rauchgases an die Steuereinheit sendet und die Inhalte des Rauchgases mit Hilfe der Steuereinheit geregelt werden, indem die Geschwindigkeit des Vorschubs einer Unterschubvorrichtung stufenlos eingestellt wird anhand der mit der Lambda- oder CO-Messwertsonde gemessenen Rauchgasmesswerte.

[0010] Aus der DE 601 10 100 T2 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, welche wieder die Brennstofffüllmenge entsprechend der Kohlendioxid- und/oder Sauerstoff- Konzentration in den Rauchgasen regelt, hier allerdings vorteilhaft über einen intermittierenden Betrieb des Füllmo- österreichisches Patentamt AT506 282 B1 2009-11-15 tors.

[0011] Diese bekannten Ausführungen haben jedoch den Nachteil gemeinsam, dass das Ergebnis der Verbrennung, nämlich die Rauchgase, die Führungsgröße der Regelung bilden. Aufgrund der doch recht langsamen Abläufe und damit langen Zeitkonstanten der Glieder im Regelkreis ist dieser daher sehr schwer regelbar.

AUFGABENSTELLUNG

[0012] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung einer Verbrennungsvorrichtung für Festbrennstoffe zur Verfügung zu stellen, welche eine möglichst stabile, flexible und bedienerfreundliche Steuerung sicherstellt für verschiedenste, auch in Mischungen zugeführte, und häufig und rasch wechselnde Brennstoffe wie beispielsweise Hackgut, Sägemehl oder Pellets.

[0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

[0014] Eine solche Vorrichtung verwendet als Führungsgröße für die Regelung direkt den spezifischen Brennwert des gerade zugeführten Brennstoffes, welcher sich unmittelbar aus der Dichte des Brennstoffes ermitteln lässt.

[0015] Die Dichte des jeweils gerade zugeführten Brennstoffes wird in dem Verfahren laufend, oder in bestimmten Zeitabständen, bestimmt durch Wiegen eines jeweils gleichen Brennstoffvolumens in einem Messbecher, der bevorzugt in den Transportweg der Brennstoffzuführung gebracht wird, aber auch außerhalb angeordnet sein kann.

[0016] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels eines solchen Festbrennstoffofens, sowie aus den anschließenden Ansprüchen.

[0017] Es zeigt: [0018] Fig. 1 eine schematische vertikale Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung für Festbrennstoffe [0019] Fig. 2 eine schematische vertikale Schnittansicht des Festbrennstoffofens [0020] Fig. 3 eine schematische vertikale Schnittansicht des Vorratsbehälters [0021] Fig. 4 eine schematische vertikale Schnittansicht der Zuführungs- und Messeinrichtung [0022] Die Figur 1 zeigt die Verbrennungsvorrichtung 10 für Festbrennstoffe, bestehend aus einem Festbrennstoffofen 12, einem Vorratsbehälter 16 für Brennstoff 30 und zwischen beidem einer Zuführungseinrichtung 14, welche den Brennstoff 30 vom Vorratsbehälter 16 zum Ofen 12 befördert.

[0023] Die Figur 2 zeigt den Ofen 12 im Detail. Dieser Ofen 12 besteht aus einer Brennkammer 18 mit Schamottauskleidung 20. In der Brennkammer 18 befindet sich ein Schubrost 26, auf dem ein brennender Glutstock 22 in Richtung einer Aschenförderschnecke 28 transportiert wird. Diese Aschenförderschnecke 28 entfernt die abgebrannte Glut aus der Brennkammer 18. Über eine Brennraumförderschnecke 36 wird Nachschub an Brennstoff 30 in die Brennkammer 18 befördert.

[0024] Über eine oder mehr Lichtschranken 24 wird bei konventionell betriebenen Öfen 12 der Nachschub von Brennstoff 30 gesteuert.

[0025] Die Figur 3 zeigt den Vorratsbehälter 16 im Detail. In ihm lagert der Vorrat an Brennstoff 30, der über eine Austragungsschnecke 32 durch eine Öffnung im Behälterboden zu einer Siloförderschnecke 34 befördert wird. 2/8 österreichisches Patentamt AT506 282B1 2009-11-15 [0026] Die Figur 4 zeigt nun die Zuführeinrichtung 14, die hier aus der Siloförderschnecke 34, der Brennraumförderschnecke 36 besteht, sowie zwischen beiden einer Zellenradschleuse 38, welche einen Rückbrand in den Vorratsbehälter 16 sicher verhindert und den Brennstoff 30 in feste Volumeneinheiten portioniert, sowie einer Messvorrichtung 46 für den Brennstoff 30 mit Steuereinheit 48.

[0027] Diese Messvorrichtung 46 stellt die wesentliche Neuheit dieser Erfindung dar und besteht aus einem Messbecher 40, der in die Brennstoffzuführung 14 eingebracht wird, sich mit Brennstoff 30 füllt und nach Abstreifen einer überschüssigen Menge an Brennstoff 30 durch den Füllmengenabstreifer 42 ein definiertes Volumen an Brennstoff 30 enthält. Dieser gefüllte Messbecher 40 wird dann an Ort und Stelle gewogen. Eine Messklappe 44 überdeckt während des Wiegevorgangs den Messbecher 40, so dass während des Messvorgangs die Beschickung der Brennkammer 18 mit Brennstoff 30 weitergeführt werden kann ohne den Wiegevorgang zu stören. Durch Abzug des Leergewichts des Messbechers 40 wird das Gewicht des definierten Volumens an Brennstoff 30 ermittelt. Damit ist die Dichte des jeweils gerade in die Brennkammer 18 beförderten Brennstoffs 30 bekannt und der spezifische Brennwert kann über eine bekannte Beziehung zumindest annäherungsweise bestimmt werden.

[0028] Alternativ zur Messung in der Zuführungseinrichtung 14 kann die Messvorrichtung 46 auch außerhalb der Zuführungseinrichtung 14 angeordnet sein und in bestimmten Zeitabständen ein definiertes Volumen an Brennstoff 30, beispielsweise über Schaufelräder oder eine separate Förderschnecke, der Zuführungseinrichtung 14 entnommen und außerhalb der Zuführungseinrichtung 14 gewogen werden.

[0029] Eine Steuereinheit 48 steuert die Geschwindigkeit oder Einschaltdauer der Förderschnecken 34 und 36 entsprechend der aus der gewünschten Heizleistung und dem über Messung bestimmten spezifischen Brennwert des Brennstoffs 30 ermittelten erforderlichen Brennstoffmengen. Dadurch wird im Gegensatz zu bekannten Lösungen ein Regelkreis vermieden, der durch Zeitglieder im Kreis mit langen Zeitkonstanten sehr schwer regelbar ist.

[0030] Optional kann eine weitere Messvorrichtung vorhanden sein, die den Feuchtigkeitsgehalt des jeweils gerade der Brennkammer 18 zugeführten Brennstoffs 30 ermittelt, um anhand dessen in der Steuereinheit 48 eine Messwertkorrektur vornehmen zu können, und damit auch den Betrieb mit nicht völlig trockenen Brennstoffen 30 zu ermöglichen. Ein Betrieb mit nicht völlig trockenen Brennstoffen 30 sollte aber aus Umweltschutzgründen nur in Ausnahmefällen Vorkommen.

[0031] Weiterhin lässt ein ungewöhnlicher Anstieg der durch die Messeinrichtung 46 und die Steuereinheit 48 ermittelten Dichten des Brennstoffs 30 darauf schließen, dass möglicherweise ein massiver Fremdkörper in den Brennstoff 30 gelangt ist. Die Steuereinheit 48 gibt dann ein Signal für die Aussortierung dieser Brennstoffmenge inklusive Fremdkörper.

BEZUGSZEICHENLISTE 10 Verbrennungsvorrichtung 12 Festbrennstoffofen 14 Zuführungseinrichtung 16 Vorratsbehälter 18 Brennkammer 20 Schamottauskleidung 22 Glutstock 24 Lichtschranke 3/8

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT506 282 B1 2009-11-15 26 Schubrost 28 Aschenförderschnecke 30 Brennstoff 32 Austragungsschnecke 34 Siloförderschnecke 36 Brennraumförderschnecke 38 Zellenradschleuse 40 Messbecher 42 Füllmengenabstreifer 44 Messklappe 46 Messvorrichtung 48 Steuereinheit Patentansprüche 1. Vorrichtung zur automatischen Steuerung eines Festbrennstoffofens, umfassend einen Vorratsbehälter (16) für Brennstoffe (30), eine Zuführungseinrichtung (14) zum Transport der Brennstoffe (30) vom Vorratsbehälter (16) in die Brennkammer (18) des Festbrennstoffofens (12) und eine mit einer Steuereinheit (48) gekoppelte Messvorrichtung (46) zur Ermittlung der Dichte des in die Brennkammer (18) zugeführten Brennstoffs (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (46) aus einem Messbecher (40) definierten Füllvolumens besteht, der mit einer Wiegeeinrichtung verbunden ist und einen Füllmengenabstreifer (42) sowie eine Messklappe (44) hat.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messklappe (44) drehbar gelagert ist und während des Wiegevorgangs den Messbecher (40) überdeckt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (46) in der Zuführungseinrichtung (14) angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (46) außerhalb der Zuführungseinrichtung (14) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbecher (40) von außen in die Zuführungseinrichtung (14) einfahrbar ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4/8