DE10100375A1 - Verfahren zum Betreiben eines Heizölbrenners und Zerstäubereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Bei Heizölbrennern ist eine Vorwärmung des Heizöls zu empfehlen, um eine bessere Zerstäubung und damit eine bessere Verbrennung zu erreichen. Um diese Aufheizung des Öls bei einem Brenner mit einem Magnetventil (6) für eine modulierende Betriebsweise zu optimieren, erfolgt die Beheizung durch die der Betätigung des Magnetventils (6) dienende Aktuatorspule (16) sowohl während der Betätigungsphase des Magnetventils (6) als auch während der Aufheizphase bei geschlossenem Magnetventil (6).

Description

Bei Heizölbrennern, die nach dem Zerstäubungsprinzip arbeiten, wird der durchgesetzte Heizölstrom durch den Heizöldruck und die Düsengröße bestimmt. Dabei ist zum einen ein Mindestöldruck für eine gute Zerstäubung notwendig und zum anderen eine Mindestdü­ sengröße, um Verstopfungen durch etwaige Schwebstoffe im Heizöl zu vermeiden. Diese Vorgaben ergeben eine Leistungsschranke, die ohne zusätzliche Maßnahmen nicht unter­ schritten werden kann.

Um diese Leistungsschranke zu unterschreiten, ist man dazu übergegangen, die Heizöl­ zufuhr mit einer modifizierten Heizölpumpe bei vollem Heizöldruck periodisch zu unterbre­ chen, so dass sich eine gepulste Zerstäubung ergibt. Die Modifizierung ist einigermaßen aufwändig. Die Brennerleistung lässt sich aber in einem gewissen Maß gegenüber der vor­ stehend angegebenen Leistungsschranke reduzieren.

Eine weitere Verbesserung lässt sich durch eine Zerstäubereinrichtung mit einem Unter­ brecherventil erzielen. Bei konstantem Heizöldruck kann durch entsprechende Ansteue­ rung dieses Ventils über eine pulsierende Betätigung der Heizöldurchsatz in gewünschter Weise beeinflusst werden. Das ist auch durch eine Veränderung der Arbeitsfrequenz des Unterbrecherventils möglich, so dass die Brennstoffzufuhr ohne Beeinträchtigung der Qua­ lität des Zerstäubungsgrades reduziert werden kann.

Für einen einwandfreien Brennerbetrieb ist es ferner wichtig, dass das Heizöl eine gleich­ mäßige Viskosität an der Düsenöffnung aufweist, um viskositätsbedingte Leistungs- und Luftzahlschwankungen zu vermeiden, was insbesondere bei Brennern mit sehr kleinen Düsendurchmessern von Bedeutung ist.

Hierzu ist es üblich, der Zerstäubereinrichtung einen steuerbaren elektrischen Ölvorwärmer vorzuschalten, der insbesondere vor dem Brennerstart das Heizöl auf Temperaturen von etwa 50°C bis 90°C vorheizt. Derartige Ölvorwärmer sind nicht nur bauaufwändig, sondern sie gewährleisten aufgrund ihres deutlichen Abstandes zur Düsenmündung nicht die ge­ wünschte Gleichmäßigkeit der Viskosität des zu zerstäubenden Heizöls.

Der EP 0 997 685 ist ein Heizölbrenner mit einer Zerstäubereinrichtung zu entnehmen, die einen vom Heizöl durchströmten Düsenstock aufweist, der mittels elektrischer Energie be­ heizbar ist. Dadurch, dass statt über einen vorgeschalteten Ölvorwärmer die Heizenergie unmittelbar in einem Bereich des Düsenstocks und damit in der Nähe der Düsenöffnung zugeführt wird, ist nicht nur für den Brennerstart, sondern auch während des Betriebes ge­ währleistet, dass das zu zerstäubende Heizöl auf die gewünschte Temperatur zwischen 50°C und 90°C aufgeheizt und damit die gewünschte Temperatur für eine optimale Zer­ stäubung eingestellt werden kann.

Die DE 42 15 995 C2 beschreibt einen Heizölbrenner, bei dem der Düsenstock ein mit we­ nigstens einer Aktuatorspule versehenes Magnetventil zur steuerbaren Unterbrechung des Heizölstroms umschließt. Dabei erfolgt die Aufheizung des Heizöls durch eine den Düsen­ stock umgebende Heizspirale. Zusätzlich wird elektrische Heizenergie durch Bestromung der Aktuatorspule zugeführt, die das Magnetventil betätigt und während der Betriebsphase einer zusätzlichen Aufheizung des Heizöls dient. Die Aktuatorspule umschließt hierbei den heizölführenden Teil, der im Hinblick auf eine optimale Einleitung der Magnetkraft auf den zu bewegenden Ventilkörper dünnwandig gestaltet sein muss, so dass eine gute Wärme­ übertragung von der bestromten Spule auf das den Ventilkörper durchströmende Heizöl gewährleistet ist.

Dieser bekannte Heizölbrenner benötigt auf jeden Fall eine den Düsenstock umgebende Heizspirale, die während der Aufheizphase bei geschlossenem Magnetventil die volle und während der Betriebsphase eine teilweise Heizleistung zur Verfügung stellt. Die Aktua­ torspule des Magnetventils hat nur während der Betriebsphase eine unterstützende Heiz­ wirkung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizölbren­ ners mit einem durch eine Aktuatorspule zu betätigenden Magnetventil zu schaffen, durch das der Brennerbetrieb infolge einer optimalen Vorwärmung des Heizöls in allen Betriebs­ zuständen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 und 10 genann­ ten Maßnahmen und Merkmale gelöst. Die Ansprüche 2 bis 9 sowie 11 und 12 betreffen besondere Verfahrensschritte bzw. Merkmale der Erfindung.

Die Aufheizung des Heizöls erfolgt in allen Phasen, das heißt sowohl in der Aufheizphase bei geschlossenem Magnetventil als auch in der Betätigungsphase des Magnetventils, durch den der Aktuatorspule zugeführten Strom. Auf diese Weise erfolgt eine optimale Vorwärmung direkt in Düsennähe und damit ein einwandfreier Brennerbetrieb in allen Be­ triebszuständen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen werden, dass in der Schließstellung des Magnetventils der Aktuatorspule ein Strom in einer Höhe zugeführt wird, die unterhalb einer Aktivierungsschwelle zur Betätigung des Magnetventils liegt. Die Aktivierungsschwelle ist hierbei durch die Schließkräfte vorgegeben. Diese in der Schließ­ phase des Magnetventils geringere Bestromung dient zur Beheizung der stehenden Öl­ menge. Zum Öffnen des Magnetventils in der Betätigungsphase muss ein entsprechend höherer Strom eingeleitet werden, der zu einer höheren Erwärmung der Aktuatorspule und damit zu einer höheren zur Verfügung stehenden Heizenergie führt, die ausreicht, die dem Mündungsbereich der Düse zuströmenden Heizölmengen aufzuheizen.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer Anordnung von zwei Aktuatorspulen für das Magnetventil diese während der Auf­ heizphase gegenpolig und während der Betätigungsphase des Magnetventils gleichpolig mit Gleichstrom bestromt werden. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, Aktuatorspulen zur Beheizung mit einem starken Strom zu beaufschlagen, da bei der gegenpoligen Stromzu­ fuhr die Magnetkräfte der beiden Aktuatorspulen sich gegenseitig aufheben und zum Öff­ nen durch entsprechende Umpolung der Stromzufuhr zu einer der Aktuatorspulen sich die Kräfte beider Spulen addieren und den Öffnungsvorgang und auch die weitere Zufuhr von Heizenergie bewirken.

In einer anderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Aktuatorspule während der Aufheizphase mit einem hochfrequenten Wechselstrom bestromt wird. Hierdurch ist gewährleistet, dass in der Aufheizphase aufgrund der hohen Frequenz des Wechselstroms, die über der Betätigungsfrequenz des Magnetventils liegen muss, der anstehende Heizöldruck sowie die Kraft der Rückstellfeder ausreichen, um das Magnetventil in Schließstellung zu halten. Dabei wäre die Aktuatorspule in der Aufheizpha­ se mit einer Frequenz zu beaufschlagen, die über der Arbeitsfrequenz des Magnetventils während der Betätigungsphase liegt.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der Anordnung von zwei Aktuatorspulen und der Verwendung von Wechselstrom vorgesehen, dass die beiden Aktuatorspulen während der Aufheizphase gegenfasig und während der Betäti­ gungsphase des Magnetventils gleichfasig mit Wechselstrom beaufschlagt werden. Dies hat den Vorteil, dass sowohl für die Aufheizphase als auch für die Betätigungsphase mit niederfrequentem Wechselstrom gearbeitet werden kann, so dass die Stromversorgung vereinfacht werden kann.

In allen vorgenannten Fällen ist es selbstverständlich möglich, die Erwärmung des Heizöls durch den der Aktuatorspule des Magnetventils zugeführten Strom mit einer zusätzlichen Heizspule der bekannten Art zu unterstützen. Das kann auch die Aktuatorspule eines vor­ geschalteten Absperrventils sein.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Zerstäubereinrichtung mit einem vom Heizöl durchströmbaren Düsenstock vorgesehen, der einen bewegbaren Ven­ tilkörper eines Magnetventils umschließt und der mit wenigstens einer Aktuatorspule zum Bewegen des Ventilkörpers versehen ist. Über eine steuerbare Stromquelle und eine schaltbare Steuereinrichtung erfolgt eine Bestromung der Aktuatorspule.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Zerstäubereinrichtung zwei Aktuatorspulen auf, die über die Steuereinrichtung wahlweise gleichpolig zum Bewegen des Ventilkörpers und gegenpolig zum Aufheizen mit einer Gleichstromquelle verbindbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der Zerstäubereinrichtung ist ferner vorgesehen, dass die we­ nigstens eine Aktuatorspule an eine Wechselstromquelle anschließbar ist, wobei während der Aufheizphase bzw. der Betätigungsphase des Magnetventils mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. mit unterschiedlichen Fasen zu arbeiten ist. Schließlich ist es auch mög­ lich, noch eine zusätzliche Heizspule vorzusehen, beispielsweise die Aktuatorspule eines vorgeschalteten Absperrventils.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Zerstäubereinrichtung für einen Heizölbrenner

Fig. 2 eine Abwandlung der Zerstäubereinrichtung nach Fig. 1

Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Zerstäubereinrichtung nach Fig. 1

In Fig. 1 ist eine Zerstäubereinrichtung für einen Heizölbrenner mit einem Düsenstock 1 dargestellt, der endseitig mit einem Anschlussstutzen 2 zum Anschluss einer Heizölzulei­ tung versehen ist und eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Filtereinsatzes 3 aufweist. Am anderen Ende des Düsenstocks 1 ist ein Anschlussgewinde 4 für eine Zerstäuberdüse 5 vorgesehen, die hier nur gestrichelt dargestellt ist.

Im Düsenstock 1 ist ein Magnetventil 6 mit einem Ventilkörper in Form einer Düsennadel 7 angeordnet, die in einem Sitzteil 8 axial bewegbar geführt ist. Das Sitzteil 8 weist eine ei­ nen Ventilsitz 9 bildende Austrittsöffnung auf, auf dem eine entsprechend gestaltete Spitze 10 der Düsennadel 7 in Schließstellung dichtend aufsitzt. An ihrem der Spitze 10 abge­ kehrten Ende ist die Düsennadel 7 mit einem becherförmigen Ankerkörper 11 versehen, der eine Rückstellfeder 12 aufnimmt, die sich auf dem Düsenstock 1 abstützt.

Vom Anschlussstutzen 2 ausgehend ist ein axialer Strömungskanal 13 vorgesehen, der in den Bereich des becherförmigen Ankerkörpers 11 ausmündet. Fluchtend zum Strömungs­ kanal 13 ist die Düsennadel 7 mit einem Strömungskanal 14 versehen, der mit Abstand zur Spitze 10 über einen Querkanal in einen Ringraum 15 ausmündet der endseitig durch die Sitzfläche 9 der Durchtrittsöffnung begrenzt wird. Dem Ankerkörper 11 ist am Düsenstock eine Aktuatorspule 16 zugeordnet, die über eine Steuereinrichtung 17 mit einer Strom­ quelle 18 in Verbindung steht.

Über die Zuleitung 2 wird Heizöl unter Druck zugeführt, wobei unterstützt von der Rück­ stellfeder 12 über den Flüssigkeitsdruck die Düsennadel 7 auf den Ventilsitz 9 gepresst wird uns so das Magnetventil 6 in Schließstellung gehalten wird. Zur Beaufschlagung der Zerstäuberdüse 5 mit Heizöl wird über die Steuereinrichtung 17 die Aktuatorspule 16 bestromt, so dass durch das sich aufbauende Magnetfeld der Ankerkörper 11 in Richtung des Pfeils 19 angezogen wird. Der Schaltweg des Ankerkörpers beträgt hierbei nur wenige zehntel Millimeter. Hierbei hebt die Spitze 10 vom Ventilsitz 9 ab, so dass während der Öffnungsdauer das Heizöl die Zerstäuberdüse 5 durchströmen kann.

Zur Regelung des Heizöldurchsatzes und damit der Brennerleistung ist die Steuereinrich­ tung 17 so ausgebildet, dass durch eine entsprechende Taktung der Bestromung sowohl die Dauer der Öffnungszeit, als auch die Dauer der Schließzeit, ebenso die Frequenz der Aufeinanderfolge von Öffnungs- und Schließzeit entsprechend den Leistungsanforderun­ gen verändert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, den Brenner modulierend, das heißt mit veränderter Leistung zu betreiben.

Der Unterschied in Fig. 2 besteht lediglich darin, dass zwei parallele Aktuatorspulen 16.1 und 16.2 vorgesehen sind, die getrennt mit der Steuereinrichtung 17 in Verbindung stehen. Diese Anordnung erlaubt es, in einer Heizphase die beiden Aktuatorspulen 16.1 und 16.2 jeweils mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, wobei jedoch die eine Aktuatorspule ge­ genpolig zu der anderen Aktuatorspule vom Gleichstrom durchflossen wird, so dass die entstehenden Magnetkräfte sich gegenseitig aufheben. Eine Aktivierung des Magnetventils und damit ein Öffnen ist unterbunden. Soll das Magnetventil geöffnet werden, dann kann der Strom zu einer der beiden Aktuatorspulen umgepolt werden, so dass beide gleichpolig durchflossen werden. Bei ausreichender Stromhöhe an einer Aktuatorspule kann auch der Strom in der anderen Aktuatorspule vermindert werden, so dass bereits die eine Aktua­ torspule ein auf den Ankerkörper 11 wirksames Magnetfeld erzeugt. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, auch mit hohen Strömen in der Aufheizphase ausreichende Heiz­ energie zuzuführen, ohne dass das Magnetventil öffnet.

Die Besonderheit der Ausführungsform gem. Fig. 3 besteht darin, dass zusätzlich zu dem Magnetventil 6 auf der Zulaufseite ein Sicherheitsabsperrventil 20 vorgesehen ist. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem Ankerkörper 21, der mit einer Ventilnadel 22 versehen ist, deren Spitze 23 die Eintrittsöffnung des Kanals 14 in der Düsennadel verschließen kann. Der Ankerkörper 21 ist wiederum topfartig ausgebildet und über eine Rückstellfeder 24 abgestützt. Der Zuströmkanal 13 mündet in den topfförmigen Ankerkörper 21 aus, so dass der Druck des Heizöls in Verbindung mit der Kraft der Rückstellfeder 24 die Spitze 23 der Ventilnadel 22 gegen die Eintrittsöffnung des Kanals 14 drückt und diese verschließt, wobei durch die aufgebrachte Kraft gleichzeitig auch die Düsennadel 7 gegen ihren Ventil­ sitz 9 gepresst wird. Wird nur die Aktuatorspule 16 des Magnetventils 6 bestromt, reicht die erzeugte Magnetkraft nicht aus, um das Magnetventil 6 zu öffnen.

Dem Sicherheitsabsperrventil 20 ist eine Aktuatorspule 25 zugeordnet, die ebenfalls mit der Steuereinrichtung 17 in Verbindung steht. Für einen Brennerbetrieb wird über die Steu­ ereinrichtung 17 die Aktuatorspule 25 mit Dauerstrom beaufschlagt, so dass das Sicher­ heitsabsperrventil 20 in Öffnungsstellung zurückgezogen wird und einen freien Zustrom des Kraftstoffs durch den Kanal 14 bis zum Ventilsitz 9 an der Spitze 10 gestattet.

Bei einer Beaufschlagung der Aktuatorspule 16 öffnet bzw. schließt dann das Magnetventil 6. Bei Stromausfall oder bei einem Verlöschen der Brennerflamme wird durch eine ent­ sprechende Sensorik über die Steuereinrichtung 17 der Haltestrom zur Aktuatorspule 25 abgeschaltet, so dass der Ankerkörper 21 mit seiner Nadel 22 die Heizölzufuhr zum Kanal 14 schließt und die Ventilnadel 7 des Magnetventils 6 für den anstehenden Flüssigkeits­ druck und die Kraft der Rückstellfeder 24 verschiebt, unabhängig davon, ob die Aktua­ torspule 16 noch bestromt wird oder nicht.

Auch bei dieser Ausführungsform wird die Aktuatorspule 16, aber auch die Aktuatorspule 25 des Sicherheitsabsperrventils 20, zur Beheizung des den Düsenstock 1 durchströmen­ den bzw. in diesem enthaltenden Heizöls verwendet. Auch die Aktuatorspule 25 des Si­ cherheitsabsperrventils 20 kann zur Vorheizung mit einem Mindeststrom in einer Höhe be­ aufschlagt werden, die noch nicht zum Öffnen des Sicherheitsabsperrventils 20 führt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben eines Heizölbrenners mit einer Zerstäubereinrichtung, die einen vom Heizöl durchströmten, mittels elektrischer Energie beheizbaren Düsenstock aufweist, wobei der Düsenstock ein mit wenigstens einer Aktuatorspule versehenes Mag­ netventil umschließt und wobei die Heizenergie durch Bestromung der Aktuatorspule ein­ geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl während der Betätigungsphase des Magnetventils (6), als auch während der Aufheizphase bei geschlossenem Magnetventil (6) die Behei­ zung durch den dem Aktuator (16) zugeführten Strom erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizphase bei geschlossenem Magnetventil (6) der Aktuatorspule (16) ein Strom in einer Höhe zugeführt wird, die unterhalb einer Aktivie­ rungsschwelle zur Betätigung des Magnetventils (6) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorspule (16) in der Aufheizphase mit hochfre­ quentem und während der Betätigungsphase des Magnetventils (6) mit niederfrequentem Wechselstrom bestromt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorspule (16) in der Aufheizphase mit einer Fre­ quenz beaufschlagt wird, die über der Arbeitsfrequenz des Magnetventils (6) während des­ sen Betätigungsphase liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung von zwei Aktuatorspulen (16.1, 16.2) diese während der Aufheizphase gegenpolig und während der Betätigungsphase des Magnetventils (6) gleichpolig mit Gleichstrom bestromt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung von zwei Aktuatorspulen (16.1, 16.2) diese während der Aufheizphase gegenfasig und während der Betätigungsphase des Magnetventils (6) gleichfasig mit Wechselstrom bestromt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizenergie über wenigstens eine außerhalb des Einwirkungsbereichs des Magnetventils (6) angeordnete Heizspule (25) zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Heizöls durch eine einstellbare bzw. regelbare Höhe des Haltestroms zu regulieren ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (6) bei noch geschlossenem Sicherheits­ absperrventil (20), in der Ölzufuhrleitung schon während der Aufheizphase vor dem eigent­ lichen Brennerstart geöffnet wird.

10. Düsenanordnung für einen Heizölbrenner mit einem vom Heizöl durchströmba­ ren Düsenstock, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenstock, (1) einen Ventilkörper eines Magnetventils (6) umschließt und mit wenigstens einer Aktuatorspule (16) für das Magnetventil (6) verse­ hen ist, die mit einer Stromquelle (18) und einer schaltbaren Steuereinrichtung (17) zur Bestromung der Aktuatorspule (16) verbunden ist.

11. Düsenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Aktuatorspulen (16.1, 16.2) vorgesehen sind, die wahlweise während der Aufheizphase gleichpolig und während der Betätigungsphase des Magnetventils (6) gegenpolig mit Gleichstrom zu beaufschlagen sind.

12. Düsenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Aktuatorspulen (16.1, 16.2) vorgesehen sind, die wahlweise während der Aufheizphase mit hochfrequentem und während der Betätigungs­ phase des Magnetventils (6) mit niederfrequentem Wechselstrom zu beaufschlagen sind.