DE10005033B4

DE10005033B4 - Verfahren zur leistungsabhängigen Steuerung einer Heizung und Heizungssystem

Info

Publication number: DE10005033B4
Application number: DE10005033A
Authority: DE
Inventors: Andre Teltzrow
Original assignee: Andre Teltzrow
Current assignee: TELTZROW, ANDRE, 14469 POTSDAM, DE
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2020-02-05
Also published as: DE10005033A1

Abstract

Verfahren zur leistungsabhängigen Steuerung einer Heizung wie Brennwertsystem mit Brennkammer, Brenner mit Brennerdüse (1), Wärmetauscher (24) aus der Wärmeanforderung eines Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, dass
die Gemischzufuhr über die Brennerdüse (1) im Volumen und/oder das Vormischvolumen (V3) über einen Volumenregulator (16, 17, 23) und damit die wirksame Brennerfläche (Q4)
und/oder das Brennraumvolumen (V5) und/oder das Wärmetauscherabgasvolumen und die Wärmetauscherfläche über mindestens ein Steuergerät entsprechend der Wärmeanforderung durch den Verbraucher gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur leistungsabhängigen Steuerung einer Heizung eines Verbrauchers und ein Heizungssystem gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.

In den bekannten Heizungssystemen sind Heizkessel vorgesehen, deren Brennkammern und Brennerflächen nicht veränderbar sind und mit denen die Heizleistung nur zwischen 100% und ca. 50% modelliert werden kann. Die Geräteleistung kann mit diesen Systemen nicht optimal an die Wärmeanforderung eines Verbrauchers angepaßt werden.

In der DE 197 28 965 A1 wird ein vormischender Gasbrenner beschrieben, mit dem es möglich erscheint, die Modulation des Brenners bzw. eine Verminderung seiner Belastung dadurch zu erreichen, daß die Gemischzufuhr zu Teilen der Brennerfläche unterbrochen wird. Die in Betrieb bleibenden Teilflächen des Brenners sollen dabei mit der der vollen Leistung entsprechenden Flächenbelastung betrieben werden. Es soll durch diese Flächenregelung ein stabiler Brennerbetrieb auch bei reduzierter Wärmeanforderung erreicht werden. Nachteilig ist es, daß nur ein Teilaspekt eines Heizungssystems, nämlich der Brenner, stufig modulierbar ist und keine optimale Anpassung an die Wärmeanforderung durch einen Verbraucher erreichbar ist.

Ähnliche Lösungen sind aus den folgenden Schriften bekannt:
In DE 198 28 11 A1 wird eine Gasdüse beschrieben, die in Abhängigkeit vom Zustand der Verbrennung in ihrer Position relativ zum Einlass des Injektors verschoben werden kann.

Aus DE 698 17 730 T2 ist eine Universalmischvorrichtung für Mischungen aus Luft und Brenngasen bekannt, die eine erste Verengungsdüse mit variablem Querschnitt in einer ersten Kammer und eine zweite Verengungsdüse mit variablem Querschnitt in einer zweiten Kammer aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und ein Heizungssystem anzugeben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine kostengünstige, schnelle und optimal leistungsgeregelte Anpassung an die Wärmeanforderungen eines Verbrauchers realisiert werden

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Heizungssystem gemäß Anspruch 5 gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischzufuhr über die Brennerdüse im Volumen und/oder das Vormischvolumen über einen Volumenregulator und damit die wirksame Brennerfläche und/oder das Brennraumvolumen und/oder das Wärmetauscherabgasvolumen und die Wärmetauscherfläche über mindestens ein Steuergerät entsprechend der Wärmeanforderung durch den Verbraucher gesteuert wird.

Das Heizungssystem nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, das das Volumen der Brennerkammer, die Brennerfläche und die Brennerleistung entsprechend der Wärmeanforderung des Verbrauchers durch mindestens ein Steuergerät steuerbar sind, wobei das Volumen der Brennkammer in Abhängigkeit zur Brennerleistung und zur Brennerfläche und die Prennerleistung in Abhängigkeit zur Wärmeanforderung steuerbar sind, die über regelungstechnische Mittel wie Außentemperaturfühler, Vor- und Rücklauffühler, Boilerfühler gesteuert ist.

Es wird mit dem Verfahren und dem Heizungssystem nach der Erfindung ein jederzeit optimierter und stabiler Heizbetrieb gewährleistet, bei dem Drücke und Fließgeschwindigkeiten in jedem Leistungsbereich gleich bleiben. Durch die optimale Anpassung der Geräteleistung an die Wärmeanforderung ist die Leistungsspanne des Heizungssystems und die Ausnutzung der zugeführten Wärmeenergie wesentlich größer als bei vergleichbaren Systemen nach dem Stand der Technik.

Die modulierende Fahrweise des Systems gewährleistet einen effektiven und sparsamen Energieeinsatz.

Durch die Anpassung des Brennerraumes an die angeforderte Leistung sind in den unterschiedlichen Leistungsbereichen konstante Brennerraumtemperaturen realisierbar. Das Heizungssystem kann in jedem Modulierbereich gestartet werden.

Durch die Anpassung der Brennerfläche an den Volumenstrom des Brennstoffes Gas ist eine höhere Betriebssicherheit und Systemzuverlässigkeit gewährleistet, z.B. keine Rückzündungsgefahr im Vormischbereich.

Der Wärmetauscher sichert ein nahezu gleichbleibendes Abgasvolumen sowie einen gleichbleibenden Abgasdruck zur Brennerleistung und damit eine höhere Betriebssicherheit und erhebliche Energieeinsparungen. Es ist bei geringer Brennerleistung möglich, hohe Temperaturen aufzunehmen und zum Verbraucher zu führen.

Der Wärmetauscher arbeitet im Gegenstromprinzip (Abgasvolumenstrom gegen Wärmetauschervolumenstrom) durch eine spiralförmige Anordnung des Wärmetauschers als Abgasführung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles eines Heizungssystems näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 die schematische Darstellung einer Brennerdüse (minimales Leistungsvermögen),
2 die schematische Darstellung der Brennerdüse nach 1 mit maximalem Leistungsvermögen,
3 die schematische Darstellung eines Heizungssystems bei minimaler Wärmeanforderung und
4 die schematische Darstellung des Heizungssystems nach 3 bei maximaler Wärmeanforderung.
Entsprechend der Darstellung in den 1 und 2 weist eine Brennerdüse 1 in einem Gehäuse 22 einen Düsenkörper 2 mit einem maximalen Leitungsquerschnitt Q2max (2) und einem minimalen Leitungsquerschnitt Q2min (1) auf, in den eine Gasleitung 3 mit einem aufgesetzten trichterförmigen Leitkörper 12 mit einem maximalen wirksamen Leitungsquerschnitt Q1max (2) und einem minimalen wirksamen Leitungsquerschnitt Q1min (1) eingebracht ist.
In den Leitkörper 12 ist eine kegelförmige Spitze 11 eines verschiebbaren kegelförmigen Ventilkörpers 4 eingebracht. Mittels einer als Steuerstange 5 ausgebildeten Gewindestange ist der Ventilkörper 4 mit der Ventilspitze 11 zusammen mit dem Leitkörper 12 entlang einer Wegstrecke S1 auf der Gasleitung 3 verschiebbar und aus dem Düsenkörper 2 heraus oder hinein bewegbar, derart, daß eine Veränderung der wirksamen Querschnitte Q2, Q1 der Düse 1 und der Gaszuleitung 3 und der Verbrennungsluft (V2) eine Leistungssteuerung erfolgen.
Die Steuerstange 5 ist über ein Gewinde in ein Teil 8 eingebracht und bewegt dieses Teil 8 entsprechend der Wärmeanforderung über einen Stellantrieb 25 (3, 4), der über die durchgehende Gewindestange 5 auch alle weiteren Volumen- und Flächenregulatoren des Heizungssystems antreibt. Das Teil 8 weist Schrägen 6 auf, die mit Schrägen 7 des Ventilkörpers 4 und des äußeren Düsenkörpers 2 (2) im eingefahrenen Zustand nach 1, d.h. im Zustand der minimalen wirksamen Querschnitte Q1min, Q2min, parallel aufeinanderliegen.
Der Düsenkörper 2 ist mit einer nicht dargestellten Leitung für zum Beispiel Verbrennungsluft V2 (Sauerstoff) verbunden, während die Gasleitung 3 den Brennstoff Gas transportiert bzw. zuleitet.
Die Leitungsquerschnitte der Zuleitungen sind über den Druck und über die wirksamen Querschnitte Q1, Q2 des Düsenkörpers 2 und der Gasleitung 3 in ein ideales Verbrennungsverhältnis gesetzt, bei dem das beste Verbrennungsergebnis (Oxidationsverhältnis) erzielt wird.
Die Größe der wirksamen Querschnitte Q1, Q2 wird über die Verschiebung des Ventilkörpers 4 und des Leit körpers 12 entlang der definierten Wegstrecke S1 proportional zueinander von Q1min bis Q1max und Q2min bis Q2max gesteuert. Damit wird die Leistung der Brennerdüse 1 gesteuert.
Der Ventilkörper 4 wird in seiner Dimensionierung durch den Leitkörper 12 bestimmt, der auf der Gasleitung 3 aufgesteckt und mit dem Ventilkörper 4 über Kontaktpunkte 14 fest verbunden ist (2). Der Leitkörper 12 trennt die Volumen der Medien, hier das Volumen V2 der Verbrennungsluft und das Volumen V1 des Gases, bis zum Mischpunkt 13 (1). Der Leitkörper 12 ist auf der Gasleitung 3 entlang der Wegstrecke S1 verschiebbar.
Das Gemisch-Volumen V3, gebildet aus den Volumen V1, V2, wird im Zustand der maximalen Leistung der Brennerdüse 1 entsprechend der Darstellung in der 2 durch den Querschnitt Q3 und die Wegstrecke S5 bestimmt, wobei sich der Querschnitt Q3 aus der Summation von Q1 und Q2 ergibt.
Das Teil 8 mit den Schrägen 6 bildet einen Volumen- und Querschnittsregulator und paßt sich über die Wegstrecke S5 (S5 = 2 × S1) dem Querschnitt Q3 an.
Der Querschnittsregulator wird mittels der Steuerstange 5 entlang der Wegstrecke S5 bewegt und damit gesteuert. Die Wegstrecken S1 bis S5 sind über die Gewindesteigungen der Steuerstange 5 in ein Wegverhältnis gesetzt und werden über die Drehbewegung der Steuerstange 5 proportional zur Leistungsanforderung motorisch bewegt, wobei gilt S1=S2=S3=S4. Die Steuerstange 5 kann auch hydraulisch oder pneumatisch bewegt werden.
Durch die unterschiedlichen Strömungs-Geschwindigkeiten im Volumen V3 in den Bereichen des Querschnitts Q3 kommt es am Mischpunkt 13 der Düse 1 zu einer Vermischung der Volumen V1 und V2 (2).
Das Volumen V3 gelangt aus dem Querschnittsbereich Q3 der Düse 1 in das Volumen V4 des Vormischbereiches einer Brennerlanze 15 (3, 4).
Entsprechend der Darstellung in den 3, 4 wird der Druck im Volumenbereich V4 über die Fläche der Brennerlanze 15 und den Düsenquerschnitt Q3 proportional gesteuert.
Die Fläche des Querschnitts Q4 der Brennerlanze 15 und das Vormischvolumen V4 werden von einem Flächen- und Volumenregulator 23 über eine Wegstrecke S6 mittels der Steuerstange 5 angepaßt. Die Brennerflächen der Brennerlanze 15 werden bei konstantem Druck über den Flächen- und Volumenregulator 23 für eine optimale Verbrennung angepaßt.
Das Volumen V5 des Verbrennungsraums schließt sich unmittelbar an die Brennerlanze 15 an.
Das Oxidationsvolumen V5 im Verbrennungsraum entsteht aus dem Volumen V4 des Vormischbereichs und dem Volumen über der Fläche aus Q4 der Brennerlanze 15 und wird beeinflußt durch den Vormischdruck des Volumenstroms sowie durch eine Mindesttemperaturdifferenz zwischen dem Volumen V5 des Verbrennungsraums und dem Wärmeübergang zum Wärmetauscher 24 über die Flächen und den Volumenstrom des Wärmetauschers 24, wobei das Transportmedium zum Beispiel Wasser ist.
Die Oxidationstemperatur und der Druck im Bereich des Volumens V5 des Verbrennungsraums werden über Volumenregulatoren 16, 17, die Wegstrecke S6 bei gleichbleibender Differenz der Mindesttemperatur über den Stellantrieb 25 und die Steuerstange 5 geregelt. Der Querschnitt Q5 ergibt sich aus dieser Regelung. Der Querschnitt Q5 paßt sich bei unterschiedlichen Wärmestromtemperaturen, zum Beispiel Rücklauftemperatur 20 °C oder 90 °C, und gleichbleibender Leistungsanforderung den Druck- und Temperaturverhältnissen durch den Volumenregulator 17 und über die Wegstrecke S7 dem optimalen Verbrennungsdruck an. Die Wegstrecke S7 wird über einen Druckwächter 18 durch Druckabfall bei einer größeren Temperaturdifferenz zwischen der Mindestdifferenz, der Oxidationstemperatur und Wärmetauschertemperatur, dem Volumenverlust angepaßt. Daraus ergibt sich eine relativ konstante Verbrennungsraumtemperatur. Durch das Umlenken der Volumen V5 durch den Regulator 17 ist ein größerer Wärmeübergang zwischen dem Volumen V5 und dem Wärmetauscher 24 möglich. Der Stellmotor 19 stellt eine Verbindung zwischen der Wegstrecke S6, dem Volumenregulator 16 der Wegstrecke S6, der Wegübertragung durch die Steuerstange 5, der Wegstrecke S7 zum Volumenregulator 17 dar und ist über eine Steuerleitung 21 mit dem Druckwächter 18 verbunden. Die Abgasleitungen 20 sind dem maximalen Oxidationsvolumen bei der minimalen Temperaturdifferenz durch das Wärmetauscherabgasvolumen angepaßt.

1: Brennerdüse
2: Düsenkörper
3: Gas-Zuleitung
4: Ventilkörper
5: Steuerstange
6: Schrägen von 8
7: Schrägen von 4 und 2
8: Teil
9: Schräge von 11
10: Schräge von 4
11: Ventilkörperspitze
12: Leitkörper
13: Mischpunkt
14: Kontaktpunkt
15: Brennerlanze
16: Volumenregulator
17: Volumenregulator
18: Druckwächter
19: Stellmotor
20: Abgasleitung
21: Steuerleitung
22: Gehäuse
23: Volumenregulator
24: Wärmetauscher
Q1...Q5: Querschnitt
S1...S7: Wegstrecken
V1: Gas-Volumen
V2: Luft-Volumen
V3: Mischvolumen
V4: Volumen Vormischbereich
V5: Volumen Verbrennungsraum

Claims

Verfahren zur leistungsabhängigen Steuerung einer Heizung wie Brennwertsystem mit Brennkammer, Brenner mit Brennerdüse (1), Wärmetauscher (24) aus der Wärmeanforderung eines Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischzufuhr über die Brennerdüse (1) im Volumen und/oder das Vormischvolumen (V3) über einen Volumenregulator (16, 17, 23) und damit die wirksame Brennerfläche (Q4) und/oder das Brennraumvolumen (V5) und/oder das Wärmetauscherabgasvolumen und die Wärmetauscherfläche über mindestens ein Steuergerät entsprechend der Wärmeanforderung durch den Verbraucher gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Einflussbereichen wie Gemischzufuhr, Brennerfläche (Q4), Vormischvolumen (V3), Brennraumvolumen (V5) bestehenden Abhängigkeiten proportional zu den Veränderungen bei der Wärmeanforderung über das Steuergerät gesteuert werden, wobei Drücke und Fließgeschwindigkeiten in den Bereichen konstant gehalten werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungsquerschnitte (Q1, Q2) für die Gemischbildung im Brenner (1) über einen Querschnittsregulator (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) zueinander zu einem idealen Oxidationsverhältnis eingestellt werden, dass im Vormischbereich die wirksame Fläche (Q4) der Brennerlanze (15) und das Vormischvolumen (V3) über einen Flächen- und Volumenregulator (23) an das eingestellte optimale Oxidationsverhältnis angepasst werden und dass im Brennerraum die Oxidationstemperatur und der Druck über Volumenregulatoren (16, 17) geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherabgasvolumen durch den Volumenregulator (17) bei gleich bleibenden Wärmetauscherflächen über eine Temperatur- und/oder Druckdifferenzanpassung zwischen dem Oxidationsvolumen und dem Wärmetauschervolumen angepasst wird, wobei durch die Umlenkung des Oxidationsvolumens aus dem Verbrennungsraum durch den Volumenregulator (17) eine Verlängerung des Wärmetauscherabgasvolumenweges (Weg- und Flächenverlängerung des Abgases durch das Wärmetauscherabgasvolumen) bewirkt wird.
Heizungssystem, mindestens bestehend aus einer Brennerkammer, einem Brenner mit Brennerfläche (Q4), einem Wärmetauscher (24), einer Zuleitung (3) für einen Brennstoff und einem Wärmeverbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (V5) der Brennerkammer, die Brennerfläche (Q4) und die Brennerleistung entsprechend der Wärmeanforderung des Verbrauchers durch mindestens ein Steuergerät steuerbar sind, wobei das Volumen (V5) der Brennkammer in Abhängigkeit zur Brennerleistung und zur Brennerfläche (Q4) und die Brennerleistung in Abhängigkeit zur Wärmeanforderung steuerbar sind, die über regelungstechnische Mittel wie Außentemperaturfühler, Vor- und Rücklauffühler, Boilerfühler gesteuert ist.
Heizungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Brennstoffgemisches und der Verbrennungsdruck zur Brennerfläche (Q4) von der Wärmeanforderung gesteuert ist, wobei die Brennerfläche (Q4) an den Volumenstrom des Brennstoffes angepasst ist und ein Brennflächenregulator im Brennerraum bei gleich bleibender Temperaturdifferenz zwischen Abgasvolumen und Wärmetauschervolumen zu Brennkammervolumenregulatoren (16, 17) parallel einstellbar ist, und bei einer höheren Druck- und Temperaturdifferenz ein Volumenregulator (17) über einen Stellantrieb (19) getrennt einstellbar ist.
Heizungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennerdüse (1) aus einem Düsenkörper (2) gebildet ist, in welchen eine Zuleitung (3) für einen Brennstoff wie Gas hineinragt, welchen einen über eine definierte Wegstrecke (S1() auf der Zuleitung (3) beweglichen Leitkörper (12) aufweist, der mit einem Ventilkörper (4) mit einer Ventilkörperspitze (11) verbunden ist, der entlang einer definierten Wegstrecke (S5) mittels einer Steuerstange (5) so bewegbar ist, dass die wirksamen Leitungsquerschnitte (Q1, Q2) für die Zuführung von Verbrennungsluft und Brennstoff entsprechend der Wärmeanforderung (Querschnittsregulator) steuerbar sind.
Heizungssystem nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsregulator der Brennerdüse (1) mit einem Flächen- und Volumenregulator (23) im Vormischbereich der Brennerlanze (15) und über diesen mit den Volumenregulatoren (16, 17) im Verbrennungsraum (V5) verbunden und über einen Stellantrieb (25) und eine Steuerstange (5) steuerbar ist.
Heizungssystem nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenregulatoren (16, 17, 23) aus einem hitzeabweisenden und hitzebeständigen Werkstoff bestehen oder als Wärmetauscher ausgelegt und mit dem Heizungssystem verbunden sind.
Heizungssystem nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des thermischen Effektes die Abgasleitung (20) unten und der Brenner (1) mit Brennerdüse oben angeordnet sind.