DE10119598C2 - Vorrichtung zum Mischen von Gas und Luft für ein Gasheizgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Gas und Luft für ein Gasheizgerät mit Gebläse unterstütztem Brenner.

Bei modulierenden, voll vormischenden Gasheizgeräten mit Gebläse unterstütz­ ten Brennern erfolgt die Gasmessung zur Erzeugung des Gas-Luft-Gemisches auf der Basis eines sogenannten pneumatischen Gas-Luft-Verbundes. Dabei wird der Luftvolumenstrom nach dem Wirkdruckverfahren bestimmt, d. h. abhängig vom Volumenstrom erhält man bei der Durchströmung einer Drosselblende unter­ schiedliche, resultierende Differenzdrucke zwischen Eingangs- und Ausgangs­ seite der Drosselblende. Diese Differenzdrucksignale werden auf ein pneuma­ tisches Regelventil in der Gasdruckregelarmatur zur Dosierung des Gasvolumen­ stromes verwendet. Auf diese Weise soll gewährleistet werden, dass unab­ hängig von Veränderungen der Brennerbelastung ein konstantes Gas-Luft-Verhältnis (Luftzahl 1) über den gesamten Modulationsbereich des Gasheizgerätes erhalten wird (DE 41 09 841 C2). Aufgrund des quadratischen Zusammenhanges zwischen der Durch­ satzvariation und der Veränderung des Differenzdrucksignals (p-V) muss das System bei einer Veränderung des Durchsatzes um den Faktor 3 in der Lage sein, eine Veränderung des Drucksignals um den Faktor 9 zu verarbeiten. Bekannte Vorrichtungen zum Mischen von Gas und Luft der vorgenannten Art sind in der Lage, Durchsatzvariationen in einem Bereich von etwa 1 : 5 (entsprechend einer Druckvariation von etwa 1 : 25) zu realisieren, da der zur Verfügung stehende Staudruckbereich einerseits durch das Gebläse und ande­ rerseits durch den erforderlichen minimalen Ansprechdruck des pneumatischen Regel­ ventils begrenzt wird.

Bei einer Vorrichtung zur Gas-Luft-Mengenregelung für einen Gasgebläsebrenner nach DE 38 18 363 C3 wird zur Bestimmung der Menge der dem Brenner zugeführten Luft der Massenstrom mittels einer im Luftstrom angeordneten Messstauscheibe gemessen und in einen Druck umgewandelt. Dieser Druck wird einem Verhältnisregler zugeführt, der die für eine optimale Verbrennung notwendige Menge an Brenngas steuert.

Ein Brennersystem zum Betreiben eines Ölbrenners ist aus DE 196 52 205 C2 bekannt, bei dem eine in der Luftzuführung angeordnete Klappe zur Veränderung des Luftvolu­ menstroms vorgesehen ist, wobei die Stellung der Klappe von einem diskontinuierlichen Antrieb angesteuert wird. Die Dosierung des Brennstoffs erfolgt über ein Ventil, dass e­ benfalls von einem diskontinuierlichen Antrieb angesteuert wird. Das Brennersystem um­ fasst ferner eine elektronische Schaltung, in der ein Kennfeld gespeichert ist, bei dem je­ dem Steuersignal für den Wärmebedarf ein bestimmter Einstellwert der diskontinuierli­ chen Antriebe zugeordnet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einen Modulationsbereich größer als 1 : 5 ermöglicht und in einem hochmodulierenden Gasheizgerät jederzeit in der Lage ist, bedarfsgerecht Wärme zur Heizung und zur Brauchwasserbereitung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass sie als Stauklappe in einem Gehäuse ausgebildet ist, die quer zur Strömungsrichtung des Luftstromes im Gehäuse drehbar gelagert und gegen die Kraft einer Rückstellfeder proportional mit dem Luft­ durchfluss verdrehbar ist, und dass die Stauklappe einen Gaszuführkanal aufweist, der am freien Ende der Stauklappe in dem Bereich mit dem engsten Querschnitt des Luftströ­ mungsweges in das Gehäuse einmündet und dem das Gas über die Drehlagerung der Stauklappe zuführbar ist.

Dieser Stauklappenmischer vereinigt die Funktionen Luftvolumenmessung und Gaseindüsung in einer kompakten Baueinheit und ist in der Lage, diese Funk­ tionen in einem Modulationsbereich von deutlich größer als 1 : 5 zu erfüllen.

Der Einsatz eines Durchflussmessers nach dem Stauklappenprinzip ermöglicht die Durchflussmessung des Luftvolumenstromes über einen großen Modulations­ bereich. Dabei kann die Charakteristik des Systems (Verdrehwinkel in Abhängig­ keit von Luftvolumenstrom) je nach Bedarf ausgelegt werden.

Die Eindüsung des Gases über den Gaszuführungskanal der Stauklappe im je­ weils engsten Querschnitt des Durchflussmess- und Mischsystems, d. h. an der Stelle der größten Strömungsgeschwindigkeit im Luftstrom, bringt besonders günstigste Bedingungen für eine homogene Gemischbildung auch bei kleinen Durchsätzen.

Eine drehwinkelabhängige Vordrosselung im Gaszuführungskanal ermöglicht es weiterhin, die Gasmenge direkt klappenstellungsbezogen (und damit luftvolu­ menstrombezogen) zu dosieren. Dies kann einmal dadurch erreicht werden, dass die Gaszuführung mittels eines elektrisch steuerbaren Dosierventils dosierbar ist, das mit zunehmendem Verdrehwinkel der Stauklappe mehr geöffnet wird, oder dass die Gaszuführung mittels eines in der Drehlagerung der Stauklappe an­ geordneten Kulissendrehschiebers dosierbar ist, der mit der Stauklappe ge­ koppelt ist und mit zunehmendem Verdrehwinkel mehr und mehr geöffnet wird. Der Kulissendrehschieber kann so ausgebildet sein, dass der Kulissendreh­ schieber zwei 90°-Drehscheiben aufweist, die gegen zwei 90°-Festscheiben verdrehbar sind und dass in Abhängigkeit von der Drehstellung der Drehscheiben mehr oder weniger von zwei 90°-Durchlässen freigebbar oder abdeckbar sind und dass die Stauklappe und die Kompensationsklappe mit integrierter Dreh­ lagerung und Gaszuführung und gegebenenfalls den Drehscheiben des Kulissen­ drehschiebers als einstückiges Spritzgußteil ausgebildet und hergestellt ist. Eine Gasarmatur ist nur noch als Gasdruckregler und Sicherheitsabsperrung erfor­ derlich.

Ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Stauklappe in Strömungs­ richtung hinter derselben eine Kompensationsklappe trägt, die in eine Kompen­ sationskammer des Gehäuses verdrehbar ist, wobei die Kompensationskammer ein vorgegebenes Kompensationsvolumen aufweist und über einen zwischen Kompensationsklappe und Gehäuse gebildeten Überströmspalt mit dem Luft­ strömungsweg im Gehäuse verbunden ist, dann wird ein pneumatisches Dämp­ fungsverhalten des Stauklappenmischers erhalten, mit dem dem Auftreten von selbsterregten Verbrennungsschwingungen entgegengewirkt wird. Dabei kann mit dem Verlauf des Überstromspaltes (z. B. veränderliche Spaltbreite) die Däm­ pfungscharakteristik gezielt beeinflusst werden.

Der erfindungsgemäße Stauklappenmischer bringt bei kompaktem Aufbau ein hohes Maß an Funktionsintegration und bei vergrößertem Modulationsbereich eine Vereinfachung der Gasarmatur, da diese nicht mehr die Modulation des Gasstromes realisieren muss.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels eines Stauklappenmischers näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen Stauklappenmischer nach der Erfindung mit einem pneumatischen Dämpfungssystem und

Fig. 2a bis 2c in verschiedenen Drehstellungen einen Kulissendrehschieber zur stauklappenstellungsabhängigen Gaszuführung.

Wie der Schnitt nach Fig. 1 zeigt, ist in einem Gehäuse 1 quer zur Strömungs­ richtung des Luftvolumenstromes q_m eine Stauklappe 2 drehbar gelagert, wobei die spitze der Stauklappe 2 im engsten Bereich des Luftströmungsweges 4 im Gehäuse 1 verschwenkbar ist. Der Luftvolumenstrom q_m verdreht die Stau­ klappe 2 im Uhrzeigersinn entgegen der Kraft einer (nicht dargestellten) Rück­ stellfeder. Dabei ist der Verdrehwinkel 11 proportional zum Luftvolumenstrom q_m. Die Stauklappe 2 ragt mit ihrem freien Ende in den engsten Bereich des Luftströmungsweges 4, so dass dieser an dieser Stelle stets die größte Strö­ mungsgeschwindigkeit aufweist.

In der Stauklappe 2 verläuft ein Gaszuführungskanal 3, der am freien Ende der­ selben in den Luftströmungsweg 4 einmündet und von der Drehlagerung der Stauklappe 2 ausgeht.

In Strömungsrichtung des Luftvolumenstromes q_m hinter der Stauklappe 2 ist an dieser eine Kompensationsklappe 5 angeformt, die synchron mit der Stauklappe 2 in einer Kompensationskammer 7 verdreht wird. Dabei bildet die Spitze der Kompensationsklappe 5 mit dem Gehäuse 1 einen Überstromspalt 6. Mit dem Kompensationsvolumen der Kompensationskammer 7 und dem Überstromspalt 6 wird ein pneumatisches Dämpfungssystem gebildet, das durch Luftvolumen­ stromschwankungen verursachte, selbsterregte Schwingungen dämpft und un­ terdrückt. Dabei kann durch die Spaltausgestaltung im Drehbereich die Charak­ teristik des Dämpfungssystems festgelegt werden.

Die Gaszuführung 8 zur Drehlagerung der Stauklappe 2 und damit in den Gas­ zuführungskanal 3 erfolgt über ein elektrisch steuerbares Regelventil 9 in Ab­ hängigkeit von der Größe des Verdrehwinkels 11 der Stauklappe 2 über die Steuerung 15. Die Dosierung der Gaszuführung 8 kann auch ohne Steuerung 15 durch einen Kulissendrehschieber 13 in der Drehlagerung der Stauklappe 2 erfolgen. Wie die Fig. 2a bis 2c zeigen, wird mit der Stauklappe 2 synchron ein Drehschieber mit zwei 90°-Drehscheiben 20.1 und 20.2 gegenüber zwei 90°- Festscheiben 30.1 und 30.2 verdreht, so dass mehr oder weniger Teile der beiden 90°-Durchlässe 40.1 und 40.2 freigegeben oder gesperrt werden. Die 90°-Drehscheiben 20.1 und 20.2 stehen wie die 90°-Festscheiben und 90°- Durchlässe 40.1 und 40.2 diametral zueinander und bilden jeweils 90° Teil­ ausschnitte einer runden Scheibe. Mit diesem Kulissendrehschieber 13 wird der zugeführte Gasvolumenstrom proportional zum Verdrehwinkel 11 der Stauklappe 2 und damit proportional zum Luftvolumenstrom q_m, der je für den Verdreh­ winkel 11 verantwortlich ist. Auf diese Weise wird einfach eine konstante Luftzahl λ, d. h. ein konstantes Gas-Luft-Verhältnis eingehalten. Der Stau­ klappenmischer dieser Art stellt eine kompakte Einheit dar und vereinigt in sich die Funktionen Luftvolumenstrommessung, Gaseindüsung und auch Gasdosie­ rung.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Mischen von Gas und Luft für ein Gasheizgerät mit einem von einem Gas-Luft-Gemisch betriebenen Brenner, dadurch gekennzeichnet,
dass sie als Stauklappe (2) in einem Gehäuse (1) ausgebildet ist, die quer zur Strömungsrichtung des Luftstromes im Gehäuse (1) drehbar gelagert und gegen die Kraft einer Rückstellfeder proportional mit dem Luftdurch­ fluss (q_m) verdrehbar ist, und
dass die Stauklappe (2) einen Gaszuführungskanal (3) aufweist, der am freien Ende der Stauklappe (2) in dem Bereich mit dem engsten Quer­ schnitt des Luftströmungsweges (4) in das Gehäuse (1) einmündet und dem das Gas (G) über die Drehlagerung der Stauklappe (2) zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauklappe (2) in Strömungsrichtung hinter derselben eine Kom­ pensationsklappe (5) trägt, die in einer Kompensationskammer (7) des Gehäuses (1) verdrehbar ist, wobei die Kompensationskammer (7) ein vorgegebenes Kompensationsvolumen aufweist und über einen zwischen Kompensationsklappe (5) und Gehäuse (1) gebildeten Überströmspalt (6) mit dem Luftströmungsweg (4) im Gehäuse (1) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung mittels eines elektrisch steuerbaren Dosierventils (9) dosierbar ist, das mit zunehmendem Verdrehwinkel (11) der Stau­ klappe (2) mehr geöffnet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung mittels eines in der Drehlagerung der Stauklappe (2) angeordneten Kulissendrehschiebers (13) dosierbar ist, der mit der Stauklappe (2) gekoppelt ist und mit zunehmendem Verdrehwinkel (11) mehr und mehr geöffnet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kulissendrehschieber (13) zwei 90°-Drehscheiben (20.1; 20.2) aufweist, die gegen zwei 90°-Festscheiben (30.1; 30.2) verdrehbar sind und
dass in Abhängigkeit von der Drehstellung der Drehscheiben (20.1; 20.2) mehr oder weniger von zwei 90°-Durchlässen (40.1, 40.2) freigebbar oder abdeckbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauklappe (2) und die Kompensationsklappe (5) mit integrierter Drehlagerung und Gaszuführung (3) und gegebenenfalls den Drehscheiben (20.1; 20.2) des Kulissendrehschiebers (13) als einstückiges Spritzgußteil ausgebildet und hergestellt ist.