DE10011707B4 - Gas-Therme mit einer Gas/Luft-Verbundregelung - Google Patents

Gas-Therme mit einer Gas/Luft-Verbundregelung Download PDF

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Abstract

Gas-Therme mit einer regelbaren Gasarmatur, einer Luftzufuhr und einem Gebläse, welches das an der Gasarmatur (GA) austretende Gas (G) und die über die Luftzufuhr einströmende Luft (L) ansaugt und als Brennstoffgemisch einem Brenner zuführt, wobei das aus der Gasarmatur (GA) austretende Gas (G) und die Luft (L) über Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) mit vielen Durchflusskanälen kleinen Querschnitts ansaugbar sind, wobei mit den Laminar-Durchfluss-Elementen (LFEg, LFEl) das Gas (G) und die Luft (L) mit annähernd gleichem Druck (pag, pr) einem Ansaugraum (ASR) zuführbar ist, und wobei das Gebläse im Ansaugraum (ASR) einen Unterdruck (pu) erzeugt, so dass an den Laminar-Durchfluss-Elementen (LFEg, LFEl) eine Druckdifferenz Δpl und Δpg auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) in einer gemeinsamen Ebene im Ansaugraum (ASR) enden, dass an den Laminar-Durchfluss-Elementen (LFEg, LFEl) jeweils innere oder äußere Druckabnahmestellen eingangs und ausgangsseitig ausgebildet sind, mit denen die Druckdifferenz Δpl und Δpg messbar ist, dass die Druckdifferenz...

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Gas-Therme mit einer regelbaren Gasarmatur, einer Luftzufuhr und einem Gebläse, welche das an der Gasarmatur austretende Gas und die über die Luftzufuhr einströmende Luft ansaugt und als Brennstoffgemisch einem Brenner zuführt.
  • Die bekannten Gas-Thermen dieser Art haben eine Belastungsänderung von 1:2 bis 1:4, wobei 1 die kleinste mögliche Belastung angibt. Wollte man bei diesem System mit der Abhängigkeit Δp ~ V2 die Belastungsänderung auf 1:10 vergrößern, bei einem kleinsten nutzbaren Steuerdruck von 0,4 mbar, dann müßte ein Steuerdruck den Wert von ca. 40 mbar annehmen. Dies wäre theoretisch denkbar, setzt in der Praxis aber ein außergewöhnlich leistungsstarkes Gebläse mit großem Bauvolumen, hoher Antriebsleistung und großen Betriebsgeräuschen voraus.
  • Aus DE 197 49 510 A1 ist eine Gas-Therme mit einer regelbaren Gasarmatur bekannt, bei der Brenngas und Luft über Laminar-Durchfluss-Elemente mit Durchflusskanälen kleinen Querschnitts angesaugt werden. Die Brenngas- und Luftzufuhrkanäle führen in einen gemeinsamen Ansaug- bzw. Mischraum. Zur Einstellung eines annähernd gleichen Drucks des Brenngases und der Luft sind in den Laminar-Durchfluss-Elementen entsprechende Gaszufuhrdrosseln und Lufzufuhrdrosseln angeordnet.
  • Eine weitere Verbrennungsvorrichtung mit einem Gasbrenner geht aus EP 0 801 265 A2 hervor. Dem Gasbrenner wird hierbei ein vorgemischtes Brenngas-Luft-Gemisch über ein Laminar-Durchfluss-Element zugeführt wird, wobei jedoch keine Änderung des Querschnitts des Laminar-Durchfluss-Elements vorgesehen ist.
  • Außerdem ist aus DE 297 14 478 U1 ein im Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordneter Wärmetauscher bekannt, dem ein Kühlmittel des Verbrennungsmotors zur Vorwärmung zugeführt wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Gas-Therme der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die in einem Bereich von 10 % Nennlast bis zu 100 % Nennlast mit einem Gebläse herkömmlicher Art und reduziertem maximalem Steuerdruck betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Mit den Laminar-Durchfluss-Elementen kann der Steuerdruck um eine Größenordnung reduziert werden, um eine Belastungsanordnung von 1 : 10 zu erreichen. Das Gebläse erzeugt dabei einen Unterdruck Pu von etwa 2,5 mbar. Das Laminar-Durchfluss-Element für Luft ist dabei so dimensioniert, dass beim Luft-Volumenstrom für die Nennlast an dem zugeordneten Laminar-Durchfluss-Element eine Druckdifferenz Δp von etwa 2 mbar entsteht. Bei einem stärkeren Gebläse kann dieser Wert auch etwas höher sein. Die Luft wird als Frischluft mit dem Raumdruck pr in die Laminar-Durchfluss-Elemente für Luft eingesaugt. Parallel zum Luft-Volumenstrom fließt aus dem Laminar-Durchfluss-Element für Gas der zur Erzielung der vorgesehenen Last erforderliche Gas-Volumenstrom zum Gebläse. Das Gas steht mit dem Eingangsdruck peg am Eingang der Gasarmatur. Über eine Nulldruckregelung derselben wird der Gasdruck auf einen Ausgangsdruck pag reduziert, der dem Eingangsdruck pr der Luft entspricht. Der Unterdruck des Gebläses sorgt dafür, dass auch das an der Gasarmatur austretende Gas zum Gebläse strömt.
  • Die an den Laminar-Durchfluss-Elementen auftretenden Druckdifferenzen werden als Regelgrößen für die Gas- und/oder Luftzufuhr verwendet. Dabei kann zur Ermittlung der Druckdifferenzen vorgesehen sein, dass die Druckdifferenz an den Laminar-Durchfluss-Elementen an inneren oder äußeren Druckabnahmestellen eingangs- und ausgangsseitig messbar sind.
  • Nach einer Ausgestaltung für diese Betriebsart ist zur Festlegug der Volumenströme vorgesehen, dass der maximale Gas-Volumenstrom durch die geometrische Dimensionierung des Laminar-Durchfluss-Elementes für Gas festlegbar ist, wobei Länge, Anzahl, Form und Querschnittsgröße der Durchflusskanäle als Parameter verwendet sind. Dabei kann der konstruktive Aufbau der Laminar-Durchfluss-Elemente so gewählt sein, dass die Durchflusskanäle der Laminar-Durchfluss-Elemente gleichen oder unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
  • Ist die Gas-Therme mit einer koaxialen Abgas-Frischluftleitung versehen, dann kann eine Erwärmung der Frischluft bis auf etwa 80°C eintreten. Wird diese erwärmte Frischluft als Luft den zugeordneten Laminar-Durchfluss-Elementen zugeführt, während das Gas nur etwa 20°C hat, dann entsteht eine unterstöchiometrische Gas-Luft-Mischung. Für die Verbrennung des gesamten angelieferten Gases steht nicht genügend Luft zur Verfügung, so dass im Abgas unverbranntes Gas auftritt. Um dies zu vermeiden, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das an der Gasarmatur austretende Gas über einen Gas-Vorwärmer dem Laminar-Durchfluss-Element für Gas zuführbar ist und dass der Gas-Vorwärmer in der Luftzufuhr angeordnet ist, die warme Zuluft führt.
  • Entscheidend für die Größe des Gas-Volumenstromes ist die geometrische Dimensionierung der Laminar-Durchfluss-Elemente für Gas. Dabei sind als Parameter Länge, Anzahl, Form und Querschnittsgröße der Durchflusskanäle verwendbar. Bei Teillast wird die Drehzahl des Gebläses entsprechend dem Verhältnis zur Nennlast reduziert. Damit wird auch der Volumenstrom von Gas und Luft entsprechend abgesenkt.
  • Ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass bei Verwendung von Gas mit unterschiedlichem Heizwert das Laminar-Durchfluss-Element für Gas mittels Anpassung des Gasvolumenstromes an den für Nennlast erforderlichen Wert anpassbar sind, wobei vorzugsweise die Anzahl der aktiven Durchflusskanäle veränderbar ist, dann wird mit Hilfe der Parameter "Anzahl der aktiven Durchflusskanäle" die nötige Anpassung mittels Stelleinrichtungen vorgenommen, die nach einer Ausgestaltung so ausgeführt sein kann, dass als Stelleinrichtungen mittels Schrittmotoren bewegbare Schieber verwendet sind, die senkrecht zu den Längsrichtungen der Durchflusskanäle der zugeordneten Laminar-Durchfluss-Elemente verstellbar sind und am Eingang derselben angeordnet sind. Der konstruktive Aufbau der Laminar-Durchfluss-Elemente kann verschieden ausgeführt sein. So kann vorgesehen sein, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente für Gas und Luft als Bündel von Röhrchen mit kleinem Durchmesser gebildet sind, oder dass die Laminar-Durchfluss-Elemente für Gas und Luft aus einem Paket von abwechselnd übereinander geschalteten Platten und wellen- oder zickzackförmigen Abstandselementen gebildet sind. Der Aufbau kann auch in der Weise erfolgen, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente für Gas und Luft mittels senkrecht zueinander stehenden Platten in rasterförmig unterteilte Durchflusskanäle unterteilt sind.
  • Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den Teil der Gas-Therme zur Bildung des Brennstoffgemisches aus Gas und Luft,
  • 2 eine Abwandlung der Gas-Therme mit einem Gas-Vorwärmer,
  • 3 und 4 eine Stelleinrichtung mit Schieber in zwei Ansichten und
  • 5 bis 7 verschiedene konstruktive Aufbauten für die Laminar-Durchfluss-Elemente.
  • Wie die 1 zeigt, wird das Gas G einer Gasarmatur GA mit einem Eingangsdruck peg zugeführt. Die Gasarmatur GA ist mit einer Nulldruckregelung ver sehen, wie mit dem Steuerdruck p1g angedeutet ist. Damit wird erreicht, dass das aus der Gasarmatur GA austretende Gas im Ausgangsdruck pag dem Druck pr der zugeführten Luft L entspricht. Die Luft L ist Frischluft mit dem Raumdruck pr. Das Gas G und die Luft L werden über Laminar-Durchfluss-Elemente LFEg, und LFEl in den Ansaugraum ASR eines Gebläses GB geleitet. Ein Gebläsemotor GM treibt das Laufrad LR an, das das im Ansaugraum ASR gebildete Brennstoffgemisch dem Brenner B zuführt. In dem Ansaugraum ASR herrscht ein Unterdruck pu, der z.B. mit 2,5 mbar gewählt ist, so dass an den Laminar-Durchfluss-Elementen LFEg und LFEl Druckdifferenzen Δpl und Δpg auftreten, die etwa 2 mbar betragen und als Regelgrößen für die Gasarmatur GA und/oder die Luftzufuhr verwendbar sind. Die Druckdifferenzen sind vorzugsweise an inneren Druckabnahmestellen der Laminar-Durchfluss-Elementen LFEg und LFEl ableitbar, da damit die Messgenauigkeit erhöht wird gegenüber der Druckmessung am Eingang und Ausgang derselben.
  • Die Gas- und Luft-Volumenströme über die Laminar-Durchfluss-Elemente LFEg und LFEl sind auf die maximale Last = Nennlast abgestimmt. Bei Teillast wird einfach die Drehzahl im Verhältnis zur Nennlast reduziert.
  • Wie der 1 noch zu entnehmen ist, kann zwischen der Gas-Armatur GA und dem Laminar-Durchfluss-Element LFEg für Gas G eine Stelleinrichtung S angeordnet sein, mit der ein Teil der Durchflusskanäle des Laminar-Durchfluss-Elementes LFEg freigebbar oder verschließbar ist. Damit lässt sich der Gas-Volumenstrom an unterschiedliche Werte für ein und dieselbe Nennlast anpassen, was beim Einsatz von Gas mit unterschiedlichem Heizwert erforderlich wird.
  • So können z.B. bei einer Gas-Temperatur von 20°C und einer Luft-Temperatur von 0°C und dem Gas-Wechsel von G25 zu G20 die Anzahl der durchströmten Gas-Durchflusskanäle von 100 % auf 127 % und der Luft-Durchflusskanäle von 127 % auf 144 % erhöht werden. Ganz allgemein lässt sich ableiten, dass aus den Forderungen Gaswechsel, Kompensation der Gas- und Luft-Temperatur sowie des Luftdruckes ein Korrekturfaktor für die Änderung der durchströmten Durchflusskanäle ermittelt werden kann, der durch die Stelleinrichtung S bzw. die Stelleinrichtungen S1 und S2 nach 2 vorgenommen werden kann.
  • Diese Stelleinrichtungen S, S1, S2 können mit einem Schrittmotor SM versehen sein, der einen Schieber SB senkrecht zur Längsrichtung der Durchflusskanäle der Laminar-Durchfluss-Elemente LFEg bzw. LFEl verstellt und dabei je nach Verstellrichtung einen Teil davon freigibt oder verschließt, wie die 3 und 4 zeigen. Dabei kann über ein Druckmessrohr DMR der Eingangsdruck pag des Gases G erfasst werden.
  • Wird das Abgas und die Frischluft über eine koaxiale Leitung geführt, dann wird die Luft L erwärmt und würde den Misch- und Brennvorgang negativ beeinflussen. Um dies zu vermeiden, sieht eine Weiterbildung nach 2 vor, dass die warme Luft L zur Vorwärmung des Gases G verwendet wird. Das aus der Gasarmatur GA austretende Gas wird über einen Gas-Vorwärmer GVW geführt, bevor er über die Stelleinrichtung S dem Laminar-Durchfluss-Element LFEg für Gas zugeführt wird. Der Gas-Vorwärmer GVW ist in der Luftzufuhr angeordnet und das darin strömende Gas G wird durch die warme Luft L erwärmt. Damit wird eine Temperaturkompensation vorgenommen mit dem Ergebnis, dass das Gas/Luftverhältnis unabhängig von der Lufttemperatur konstant bleibt.
  • Wie die 5 bis 7 zeigen, können die Laminar-Durchfluss-Elemente in konstruktiv unterschiedlicher Weise aufgebaut werden, um viele Durchflusskanäle K1 mit kleinem Querschnitt zu schaffen. So kann eine Vielzahl von Röhrchen R mit z.B. einem Durchmesser von 2 mm zu einem Bündel zusammengefasst werden, wobei wie die 1 und 2 zeigen, diese Röhrchen R eingangsseitig in unterschiedlichen Ebenen für das Laminar-Durchfluss-Element LFEg für Gas G und das Laminar-Durchfluss-Element LFEl für Luft angeordnet sind, während sie im Ansaugraum ASR des Gebläses GB in einer gemeinsamen Ebene enden.
  • Wie 6 zeigt, können eine Vielzahl von Durchflusskanälen auch durch abwechselndes Schichten von Platten P und wellen- oder zickzackförmigen Abstandselementen W gebildet werden, wobei für die Dimensionierung der Durchflusskanäle K2 Entsprechendes bezüglich des Querschnittes und der Eingangs- und Ausgangsebenen gilt.
  • Schließlich lassen sich durch senkrecht zueinander stehende Platten P1 und P2 auch rasterartig angeordnete Durchflusskanäle K3 mit quadratischem oder rechteckförmigem Querschnitt bilden, wie 7 zeigt.
  • Dabei können auch Kombinationen von Durchflusskanälen K1, K2 und K3 mit gleichem oder unterschiedlichem Querschnitt in den Laminar-Durchfluss-Elementen LFEg und/oder LFEl realisieren.
  • Die an den Laminar-Durchfluss-Elementen LFEg und LFEl abgegriffenen Druckdifferenzen Δpg und Δpl können zudem als Regelgrößen für die Gasarmatur GA und/oder die Luftzufuhr verwendet und so die Kompensation der Gas- und Lufttemperatur sowie des Luftdruckes verbessert werden.
  • Mit einer derartig ausgelegten Gas-Therme lässt sich nicht nur der Lastbereich wesentlich vergrößern, z.B. auf eine Belastungsänderung von 1:10 erweitern (wobei mit 1 die kleinste mögliche Belastung angegeben ist). Zudem ist ein handelsübliches Gebläse mit kleinem Raumbedarf, kleinem Leistungsbedarf und kleinem Betriebsgeräusch einsetzbar.
  • Schließlich sind die Forderungen bezüglich Teillast, Gaswechsel und Kompensation von Temperatur- und Druckabweichungen gegenüber dem Auslegungszustand der Gas-Therme in einfacher Weise beherrschbar.

Claims (11)

  1. Gas-Therme mit einer regelbaren Gasarmatur, einer Luftzufuhr und einem Gebläse, welches das an der Gasarmatur (GA) austretende Gas (G) und die über die Luftzufuhr einströmende Luft (L) ansaugt und als Brennstoffgemisch einem Brenner zuführt, wobei das aus der Gasarmatur (GA) austretende Gas (G) und die Luft (L) über Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) mit vielen Durchflusskanälen kleinen Querschnitts ansaugbar sind, wobei mit den Laminar-Durchfluss-Elementen (LFEg, LFEl) das Gas (G) und die Luft (L) mit annähernd gleichem Druck (pag, pr) einem Ansaugraum (ASR) zuführbar ist, und wobei das Gebläse im Ansaugraum (ASR) einen Unterdruck (pu) erzeugt, so dass an den Laminar-Durchfluss-Elementen (LFEg, LFEl) eine Druckdifferenz Δpl und Δpg auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) in einer gemeinsamen Ebene im Ansaugraum (ASR) enden, dass an den Laminar-Durchfluss-Elementen (LFEg, LFEl) jeweils innere oder äußere Druckabnahmestellen eingangs und ausgangsseitig ausgebildet sind, mit denen die Druckdifferenz Δpl und Δpg messbar ist, dass die Druckdifferenz Δpl und Δpg zur Ableitung einer Regelgröße für die Gasarmatur (GA) und/oder die Luftzufuhr verwendbar ist, und dass mittels Stelleinrichtungen (S, S1, S2) zumindest ein Teil der Durchflusskanäle des Laminar-Durchfluss-Elements (LFEg) für Gas und/oder des Laminar-Durchfluss-Elements (LFEl) für Luft (L) freigebbar oder verschließbar ist.
  2. Gas-Therme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Gasvolumenstrom durch die geoemtrische Dimensionierung des Laminar-Durchfluss-Elementes (LFEg) für Gas (G) festlegbar ist, wobei Länge, Anzahl, Form und Querschnittsgröße der Durchflusskanäle (K1, K2, K3) als Parameter verwendbar sind.
  3. Gas-Therme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft (L) als Frischluft mit Raumdruck (pr) zuführbar ist und dass eine Gasarmatur (GA) mit Nulldruckregelung den Gasdruck (pag) am Ausgang der Gasarmatur (GA) auf den Druck (pr) der zugeführten Luft (L) einstellt.
  4. Gas-Therme nach eine der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Teilbelastung die Drehzahl des Gebläses (GE) entsprechend dem Verhältnis zur Nennlast reduzierbar ist.
  5. Gas-Therme nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Gas (G) mit unterschiedlichem Heizwert das Laminar-Durchfluss-Element (LFEg) für Gas (G) mittels Anpassung des Gasvolumenstromes an den für Nennlast erforderlichen Wert anpassbar sind, wobei vorzugsweise die Anzahl der aktiven Durchflusskanäle (K1, K2, K3) veränderbar ist.
  6. Gas-Therme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stelleinrichtungen (S, S1, S2) mittels Schrittmotoren (SM) bewegbare Schieber (SB) verwendet sind, die senkrecht zu den Längsrichtungen der Durchflusskanäle (K1, K2, K3) der zugeordneten Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) verstellbar sind und am Eingang derselben angeordnet sind.
  7. Gas-Therme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Gasarmatur (GA) austretende Gas (G) über einen Gas-Vorwärmer (GVW) dem Laminar-Durchfluss-Element (LFEg) für Gas (G) zuführbar ist und dass der Gas-Vorwärmer (GVW) in der Luftzufuhr angeordnet ist, die warme Zuluft führt.
  8. Gas-Therme nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusskanäle (K1, K2, K3) der Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) gleichen oder unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
  9. Gas-Therme nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) für Gas (G) und Luft (L) als Bündel von Röhrchen (R) mit kleinem Durchmesser (z.B. 2 mm) gebildet sind (5).
  10. Gas-Therme nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) für Gas (G) und Luft (L) aus einem Paket von abwechselnd übereinander geschalteten Platten (P) und wellen- oder zickzackförmigen Abstandselementen (W) gebildet sind (6).
  11. Gas-Therme nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminar-Durchfluss-Elemente (LFEg, LFEl) für Gas (G) und Luft (L) mittels senkrecht zueinander stehenden Platten (P1, P2) in rasterförmig unterteilte Durchflusskanäle (K3) unterteilt sind (7).
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