AT510172B1 - Vorrichtung und verfahren zum einstellen eines gasstroms, insbesondere brenngasstroms - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT510 172B1 2012-02-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms, insbesondere Brenngasstrom.

[0002] WO 2003/064928 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms, bei der sich in der Steuerleitung stromab des Steuervolumens kein Ventil befindet. An dieser Steuerleitung ist eine weitere Leitung befestigt, in der sich ein Überdruckventil befindet. Oberhalb eines bestimmten Druck tritt somit eine Waste-Gate-Funktion ein.

[0003] Die aus WO 2007/060696 A1 bekannte Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms verfügt in der Zuleitung der Steuerleitung über ein Ein-Aus-Ventil sowie in der Auslassleitung über einen pneumatischen Regler. Somit stellt sich der Durchfluss durch die Steuerleitung bei geöffnetem Ein-Aus-Ventil in Abhängigkeit der pneumatischen Druckverhältnisse ein.

[0004] DE 25 09 893 A1 zeigt ebenfalls Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms ohne Ventil auf der Eingansseite der Steuerleitung sowie einem pneumatischen Regler auf der Ausgangsseite.

[0005] [0006] [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] [0012] [0013]

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms,

Figur 2 eine Variante einer alternativen, erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms,

Figur 3 den Volumenstrom und die Betätigung der Ventile beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Einstellen eines Gasstroms gemäß Figur 1,

Figur 4 die Auslassseite der Vorrichtung im Messmodus,

Figur 5 dieselbe Auslassseite der Vorrichtung beim Absenken Gasvolumenstroms durch die Einrichtung,

Figur 6 die erste erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Volumenstromerhöhung,

Figur 7 die erste erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Volumenstromreduzierung und

Figur 8 die Ventilstellungen und das Messsignal bei der Eingangsdruckmessung mittels der zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0014] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms. In einer gasführenden Leitung 18 zwischen einer Gasanschlussleitung 3 und einer Gasauslassleitung 16 befindet sich ein Regelventil, das im Wesentlichen aus einem Ventilkegel 10 und einem Ventilsitz 11 besteht. Parallel zur gasführenden Leitung 18 verläuft zwischen der Gasanschlussleitung 3 und der Gasauslassleitung 16 eine Steuerleitung 19, in der sich ein Steuervolumen 9 befindet. Das Steuervolumen 9 ist auf einer Seite durch eine Membran 8 abgeschlossen. Die Membran 8 ist auf der dem Steuervolumen 9 abgewandten Seite mit der Gasauslassleitung 16 verbunden, wobei sich in der Gasauslassleitung 16 eine Blende 13 befindet. Der bewegliche Teil des Regelventils 10 ist mit der Membran 8 verbunden. Auf der der Gasanschlussleitung 3 zugewandten Seite der Steuerleitung 19 befindet sich eine Einlaufsteuerleitung 4, in der ein Piezo-Einlauf-ventil 6 angeordnet ist. Auf der der Gasauslassleitung 16 zugewandten Seite der Steuerleitung 19 befindet sich eine Auslaufsteuerleitung 5, die zu einem Piezo-Auslaufventil 7 führt. Das Piezo-Auslaufventil 7 ist als 3-Wege-Ventil ausgeführt, wobei der 2. Anschluss über eine Druckausgleichsleitung 12 und der 3. Anschluss über eine Bypassleitung 14 in die Gasauslassleitung 16 führen. In der Bypassleitung 14 ist ein Massenstromsensor 15 angeordnet. Die Blende 13 in der Gasauslassleitung 16 liegt zwischen der Mündung der Druckausgleichsleitung 12 und der Bypassleitung 14. Eingangs der Gasanschlussleitung 3 ist ein erstes Sicherheitsventil 1 vor dem Abzweig der Einlaufsteuerleitung 4 angeordnet. Stromab des Abzweigs der Einlaufsteuerleitung 4 ist in der gasführenden Leitung 18 ein zweites Sicherheitsventil 2 angeordnet. Die Membran 8 ist auf der dem Steuervolumen 9 abgewandten Seite mit der Gasauslassleitung 16 1 /9 österreichisches Patentamt AT510 172B1 2012-02-15 verbunden. Auf der dem Regelventil 10, 11 abgewandten Seite der Membran 8 ist eine Feder 17 angeordnet, welche einem Öffnen des Regelventils 10, 11 entgegenwirkt.

[0015] Figur 2 zeigt eine Variante einer alternativen, erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms, die sich von Figur 1 dadurch unterscheidet, dass das Piezo-Einlaufventil 6 als 3-Wege-Ventil ausgeführt ist, wobei der dritte Anschluss mit der gasführenden Leitung 18 stromab einer Blende 13 verbunden ist. In der Einlaufsteuerleitung 4 ist ein Massenstromsensor 15 angeordnet. Das Piezo-Auslaufventil 7 in der Auslaufsteuerleitung 5 ist als 2-Wege-Ventil ausgeführt.

[0016] Fig. 3 zeigt beispielhaft zeitlichen Verlauf des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms gemäß Figur 1 mit Volumenstrom und Schaltzustand der Ventile 1, 2, 6, 7. Schraffierte Flächen symbolisieren dabei die Zeiten, in denen das betreffende Ventil elektrisch angesteuert wird.

[0017] Zum Zeitpunkt t0 wird das erstes Sicherheitsventil 1 in der Gasanschlussleitung 3 geöffnet, wodurch Brenngas in die Einlaufsteuerleitung 4 bis zum Piezo-Einlaufventil 6 und zum zweiten Sicherheitsventil 2 in der gasführenden Leitung 18 strömt. Zum Zeitpunkt ti öffnet das Piezo-Einlaufventil 6 in die Einlaufsteuerleitung 4. Brenngas strömt nun in das Steuervolumen 9, wodurch die Membran 8 angehoben wird und dabei den Ventilkegel 10 aus dem Ventilsitz 11 drückt. Da das zweite Sicherheitsventil 2 noch geschlossen ist, fließt noch kein Brenngas durch das Regelventil 10, 11. Erst mit dem Öffnen des zweiten Sicherheitsventils 2 zum Zeitpunkt t2 beginnt der Brenngasfluss durch das Regelventil 10, 11 in die Gasauslassleitung 16. Das Piezo-Auslaufventil 7 ist derart geschaltet, dass kein Brenngas aus dem Steuervolumen 9 in das Piezo-Auslaufventil 7 fließen kann. Andererseits gibt das Piezo-Auslaufventil 7 in dieser Stellung den Durchgang von der Druckausgleichsleitung 12 in die Bypassleitung 14 frei. Der Massenstromsensor 15 kann somit über den Druckabfall an der Blende 13 den Brenngasvolumenstrom erfassen. Dies ist in den Figuren 4 und 6 dargestellt. Durch weiteres Einströmen von Brenngas über das Piezo-Einlaufventil 6 in das Steuervolumen 9 hebt sich die Membran 8 weiter an und der Brenngasvolumenstrom wird erhöht. Ist der Sollvolumenstrom erreicht, so wird das Piezo-Einlaufventil 6 geschlossen (Zeitpunkt t3), so dass die Stellung des Regelventils 10, 11 und somit auch der Brenngasvolumenstrom konstant bleiben. Soll der Brenngasvolumenstrom reduziert werden, so wird das Piezo-Auslaufventil 7 umgeschaltet, so dass Brenngas aus dem Steuervolumen 9 über das Piezo-Auslaufventil 7 und die Bypassleitung 14 in die Gasauslassleitung 16 abfließen kann (Zeitpunkt U bis t5). Dies ist in den Figuren 5 und 7 dargestellt. In dieser zeitlichen Phase kann der Brenngasvolumenstrom nicht erfasst werden. Nach dem Zeitpunkt ts kann der Brenngasvolumenstrom wieder erfasst werden. Ist der Brenngasvolumenstrom zu gering, so wird - wie beim Betrieb zwischen Zeitpunkt t2 bis t3 -der Brenngasvolumenstrom zwischen dem Zeitpunkt te bis t7 wieder bis zum Sollvolumenstrom erhöht. Im Folgenden ist ein weiteres Absenken und Anheben des Brenngasvolumenstroms im Zeitraum te bis tu dargestellt. Zum Zeitpunkt t12 wird das Schließen des Regelventils 10, 11 eingeleitet. Sobald der Brenngasvolumenstrom Null beträgt, werden das das erste und zweite Sicherheitsventil 1, 2 geschlossen.

[0018] Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Einstellen eines Gasstroms gemäß Figur 2 ist das Piezo-Einlaufventil 6 in die Einlaufsteuerleitung 4 als 3-Wege-Ventil ausgeführt, während das Piezo-Auslaufventil 7 in der Auslaufsteuerleitung 5 als 2-Wege-Ventil ausgeführt ist. Der funktionale Unterschied zur Einrichtung gemäß Figur 1 besteht im Wesentlichen darin, dass bei der Einrichtung gemäß Figur 1 beim Anheben des Brenngasvolumenstroms der Gasvolumenstrom gemessen werden kann, jedoch nicht beim Absenken, während bei der Einrichtung gemäß Figur 2 beim Absenken des Brenngasvolumenstroms der Gasvolumenstrom gemessen werden kann, jedoch nicht beim Anheben.

[0019] Figur 8 zeigt den Verlauf des Signals am Massenstromsensor 15 für den Ventilaufbau gemäß Figur 2 für die Ventilbeschaltung zur Bestimmung des Gaseingangsdruckes. In dieser Betriebsart ist das Sicherheitsventil 2 dauerhaft geschlossen, d.h. ein Gasdurchfluss durch das Gasregelventil 10, 11 ist unterbunden. Durch Öffnen des Piezo-Einlaufventils 6 und des Piezo- 2/9 österreichisches Patentamt AT510 172B1 2012-02-15

Auslaufventils 7 werden die Steuerkanäle 4 und 5 sowie das Steuervolumen 9 auf ein gemeinsames Druckniveau gebracht. Anschließend wird das Piezo-Auslaufventil 7 geschlossen. Durch Öffnen des Sicherheitsventils 1 strömt Gas über den Steuerkanal 4 in das Steuervolumen 9 und öffnet das Regelventil 10, 11. Der Gasvolumenstrom durch den Massenstromsensor 15 ist dabei von der Druckdifferenz, dem Strömungsquerschnitt, dem Düsenausflussfaktor, der Dichte und dem Isentropenexponenten des Gases abhängig. Während des Öffnungsvorgangs (bis zur maximalen Position des Regelventils 10, 11) ist somit ein Signal am Massenstromsensor 15 detektierbar, dessen Wert proportional zum Gaseingangsdruck ist.

[0020] Je größer der gemessene Gaseingangsdrucks vor dem Start des Brenners ist, desto kleiner wird die Öffnungsposition des Gasregelventils 10, 11 vor dem Öffnen das Gaswegs über das Sicherheitsventil 2 eingestellt. Umgekehrt wird bei kleinem Gaseingangsdruck das Piezo-Einlaufventil 6 länger bestromt, um eine größere Öffnungsposition des Gasregelventils vor dem Öffnen das Gaswegs über das Sicherheitsventil 2 sicherzustellen. Auf diese Weise bleibt die Startbelastung und das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft bei unterschiedlichen Gaseingangsdrücken konstant.

[0021] Fig. 4 zeigt die Ruhelage des als 3-Wege-Ventil ausgeführten Piezo-Auslaufventils 7 gemäß Figur 1. In Ruhelage ist dabei die Ventildurchströmung über den Bypass 12 und den Massenstromsensor 15 freigegeben, d.h. der Massenstromsensor wird parallel zur Hauptströmung über die Blende 13 durchströmt bzw. mit Druck beaufschlagt. In Arbeitsposition wird die Steuerleitung zum Steuervolumen 9 mit dem Massenstromsensor 15 verbunden, das heißt der durch die Steuerleitung fließende Gasmassenstrom, nicht jedoch der Gesamtgasmassenstrom, wird durch den Massenstromsensor 15 erfasst.

BEZUGSZEICHENLISTE 1) Sicherheitsventil 2) Sicherheitsventil 3) Gasanschlussleitung 4) Einlaufsteuerleitung 5) Auslaufsteuerleitung 6) Piezo-Einlaufventil 7) Piezo-Auslaufventil 8) Membran 9) Steuervolumen 10) Ventilkegel 11) Ventilsitz 12) Druckausgleichsleitung 13) Blende 14) Bypassleitung 15) Massenstromsensor 16) Gasauslassleitung 17) Feder 18) gasführende Leitung 19) Steuerleitung 3/9

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT510 172B1 2012-02-15 Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms mit einer gasführenden Leitung (18) zwischen einer Gasanschlussleitung (3) und einer Gasauslassleitung (16), in der sich ein Regelventil (10, 11) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur gasführenden Leitung (18) eine gasführende Steuerleitung (19) angeordnet ist, sich in der gasführenden Steuerleitung (19) ein Steuervolumen (9) befindet, welches auf einer Seite durch eine Membran (8) abgeschlossen ist, die Membran (8) auf der dem Steuervolumen (9) abgewandten Seite mit der Gasauslassleitung verbunden ist, stromab und stromauf des Steuervolumens (9) in der Steuerleitung (19) elektrisch angesteuerte Ventile (6, 7) angeordnet sind und der bewegliche Teil des Regelventils (10) mit der Membran (8) verbunden ist.
2. 2. Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (6, 7) Piezoventile oder ähnliche digitale oder kontinuierliche Mikrostellglieder sind.
3. 3. Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitung (19) im Vergleich zur gasführenden Leitung (18) einen geringen Querschnitt aufweist und/oder die Ventile (6, 7) im Vergleich zur gasführenden Leitung (18) einen geringen Öffnungsquerschnitt aufweisen.
4. 4. Verfahren zum Einstellen eines Gasstroms mit einer Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms mit einer gasführenden Leitung (18) zwischen einer Gasanschlussleitung (3) und einer Gasauslassleitung (16), in der sich ein Regelventil (10, 11) befindet, wobei parallel zur gasführenden Leitung (18) eine gasführende Steuerleitung (19) angeordnet ist, sich in der gasführenden Steuerleitung (19) ein Steuervolumen (9) befindet, welches auf einer Seite durch eine Membran (8) abgeschlossen ist, die Membran (8) auf der dem Steuervolumen (9) abgewandten Seite mit der Gasauslassleitung verbunden ist, stromab und stromauf des Steuervolumens (9) Ventile (6, 7) angeordnet sind und der bewegliche Teil des Regelventils (10) mit der Membran (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Öffnen des Ventils (6) in der Steuerleitung (19) auf der Seite der Gasanschlussleitung (3) bei in der Steuerleitung (19) geschlossenem Ventil (7) auf der Seite der Gasauslassleitung (16) Gas in das Steuervolumen (9) einströmt, wodurch die Membran (8) kontinuierlich bewegt wird, wodurch das Regelventil (10, 11) kontinuierlich geöffnet wird, durch Schließen beider Ventile (6, 7) in der Steuerleitung (19) kein Gas in oder aus dem Steuervolumen (9) strömt, wodurch die Membran (8) nicht bewegt wird, wodurch das Regelventil (10, 11) in einer konstanten Position stehen bleibt, und durch Öffnen des Ventils (7) in der Steuerleitung (19) auf der Seite der Gasauslassleitung (16) bei in der Steuerleitung (19) geschlossenem Ventil (6) auf der Seite der Gasanschlussleitung (3) Gas aus dem Steuervolumen (9) ausströmt, wodurch die Membran (8) kontinuierlich bewegt wird, wodurch das Regelventil (10, 11) kontinuierlich geschlossen wird.
5. 5. Verfahren zum Einstellen eines Gasstroms nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Volumenstrommesseinrichtung (13, 15) vorhanden ist und die Ventile (6, 7) geöffnet beziehungsweise geschlossen werden, bis sich ein definierter Volumenstrom einstellt.
6. 6. Verfahren zur Messung des Eingangsdrucks eines Gasstroms mit einer Vorrichtung zum Einstellen eines Gasstroms mit einer gasführenden Leitung (18) zwischen einer Gasanschlussleitung (3) und einer Gasauslassleitung (16), in der sich ein Regelventil (10, 11) befindet, wobei parallel zur gasführenden Leitung (18) eine gasführende Steuerleitung (19) angeordnet ist, sich in der gasführenden Steuerleitung (19) ein Steuervolumen (9) befindet, welches auf einer Seite durch eine Membran (8) abgeschlossen ist, die Membran (8) auf der dem Steuervolumen (9) abgewandten Seite mit der Gasauslassleitung verbunden ist, stromab und stromauf des Steuervolumens (9) Ventile (6, 7) angeordnet sind und der bewegliche Teil des Regelventils (10) mit der Membran (8) verbunden ist, in der Gasanschlussleitung (3) stromauf der gasführenden Steuerleitung (19) ein erstes Sicherheitsven- 4/9 österreichisches Patentamt AT510 172B1 2012-02-15 til (1) und in der gasführenden Leitung (18) stromab der gasführenden Steuerleitung (19) ein zweites Sicherheitsventil (2) angeordnet sind, und in der gasführenden Steuerleitung (19) stromauf des Steuervolumen (9) eine Volumenstrommesseinrichtung (13, 15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sicherheitsventil (2) während der Messung des Eingangsdrucks dauerhaft geschlossen ist, die Ventil (6, 7) in der gasführenden Steuerleitung (19) bei geschlossenem ersten Sicherheitsventil (1) zunächst geöffnet werden, dann das Ventil (7) in der gasführenden Steuerleitung (19) stromab des Steuervolumens (9) geschlossen wird, daraufhin das Sicherheitsventil (1) geöffnet wird und aus dem Signal am Massenstromsensor (15) der Gaseingangsdruck berechnet wird. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 5/9