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Die
Erfindung betrifft einen Servodruckregler, insbesondere zur Speisung
eines Brenners mit variablen oder einstellbaren Gasströmen.
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Brenner,
insbesondere Gebläsebrenner, werden
mit einem Gas/Luft-Gemisch versorgt, wobei die Gasmenge häufig durch
eine Drosseleinrichtung einstellbar ist. Die Drosseleinrichtung
kann beispielsweise durch einen Schieber oder eine Drosselklappe gebildet
sein. Um mit einer solchen Drosseleinrichtung einen gewünschten
Gasstrom einstellen zu können,
ist es erforderlich, den vor der Drosseleinrichtung herrschenden
Gasdruck konstant zu halten. Dazu werden in der Regel Druckregler
genutzt. Eine solche Anordnung geht beispielsweise aus der
DE 197 40 666 C1 hervor.
Der dort veranschaulichte Druckregler ist unmittelbar mit einem
Brenner verbunden, um diesen mit Gas zu speisen. Der Druckregler
wird durch ein Pilotventil gesteuert, das auf einen Membranantrieb
des Druckreglers wirkt.
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Eine ähnliche
Einrichtung ist aus der
EP
0 644 377 B1 bekannt. Auch hier wird ein zur Speisung eines
Brenners dienender Gasstrom durch einen Druckregler reguliert.
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Aus
der noch unveröffentlichten
P 103 40 045 Geht ein ebensolcher
Druckregler hervor, an dessen Ausgang ein Drosselelement angeordnet
ist. Mit diesem ist der Gasstrom einstellbar.
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Bei
Volllast, d.h. bei vollständig
offener Drossel, kann es dazu kommen, dass der Druckregler nicht
mehr ausreichend regelt. Dies kann mit dem Druckregler vorgelagerten
Strömungswiderständen oder
auch mit einem von dem Brenner herrührenden Rückstau zusammenhängen.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Servodruckregler mit
erweitertem Arbeitsbereich zu schaffen. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung,
ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden mit dem Servodruckregler nach Anspruch 1 gelöst:
Der
erfindungsgemäße Servodruckregler
weist eine Drosseleinrichtung sowie zwei Druckabnahmestellen auf,
von denen eine vor und die andere an oder nach der Drosseleinrichtung
angeordnet ist. Von den Druckabnahmestellen führen Kanäle zu einer Umschalteinrichtung,
die eine zu einem Pilotventil führende
Steuerleitung mehr oder weniger mit der einen und/oder der anderen
Druckabnahmestelle verbindet. Dadurch kann erreicht werden, dass
der Druckregler auch bei Volllast, d.h. bei ganz geöffneter Drossel,
aktiv bleibt. Ein vor dem Druckregler stattfindender Druckabfall
kann ebenso kompensiert werden wie ein sich durch den Widerstand
von Gasausströmdüsen des
Brenners oder einer Vormischeinrichtung ergebender Rückstau.
Erreicht wird dies z.B. dadurch, dass bei Volllast, d.h. bei ganz
geöffneter Drossel
ein hinter der Drossel entstehender Unterdruck (Bernoullie-Effekt)
zu dem Pilotventil geleitet wird. Dies kann als Störgrößenaufschaltung
angesehen werden, die bei Volllast aktiviert wird. Selbst wenn kein
Bernoullie-Effekt genutzt wird bewirkt der Abgriff hinter der Drossel
bei Volllast, dass der Restströmungswiderstand
der offenen Drossel unwirksam gemacht wird, weil der Druck hinter
der Drossel auf den Sollwert konstant ausgeregelt wird. Dies eröffnet Freiheitsgrade
hinsichtlich der Gestaltung der Drossel. Im offenen Zustand muss
der Strömungswiderstand
nicht Null sein, was ohnehin schwer zu erreichen wäre.
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Die
Drosseleinrichtung kann beispielsweise ein Drosselschieber, eine
Drosselklappe, eine Drosselwalze oder dergleichen sein. Wenn die
Drosseleinrichtung in voll geöffnetem
Zustand einen Restdurchflusswiderstand aufweist, kann dieser kompensiert
werden, indem der Druck vor der Drosseleinrichtung etwas erhöht, d.h.
der Druck regler etwas weiter geöffnet
wird. Auch dies kann durch die Störgrößenaufschaltung bewirkt werden.
Damit verbessert sich nicht nur die Reglerwirkung des Druckreglers
bei Volllast sondern es kann außerdem
der Gasdurchfluss bei Volllast erhöht werden. Dies eröffnet die Möglichkeit,
mit relativ kleinen Druckreglern hohe Gasdurchflüsse und somit hohe Brennerleistungen zu
ermöglichen.
Die Ermöglichung
hoher Leistungen mit niedrigen Ventilquerschnitten ermöglicht die
Senkung von Installationskosten und die Vereinfachung von Anlagen.
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Die
Drosseleinrichtung ist vorzugweise mit der Umschalteinrichtung wirkungsmäßig so verbunden,
dass die Umschalteinrichtung automatisch die Störgrößenaufschaltung erst dann vornimmt,
wenn die Drosseleinrichtung in Richtung Volllast verstellt wird.
Unter Volllast wird beispielsweise eine ganz geöffnete Drossel oder auch eine
Drossel verstanden, die zu mehr als 90 % offen ist.
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Die
Umschalteinrichtung kann in einen Drosselschieber oder ein sonstiges
Drosselorgan integriert sein. Damit ergeben sich besonders einfache und übersichtliche
Konstruktionen.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
von Ansprüchen.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen: 1 einen
Gebläsebrenner
mit vorgeschaltetem Verhältnisregler
sowie weiteren Gasventilen zur Steuerung des Betriebs und
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2 den
Verhältnisregler
nach 1 in einer längs
geschnittenen schematisierten Darstellung.
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In 1 ist
ein Gebläsebrenner 1 schematisiert
veranschaulicht, dem ein Gebläse 2 vorgeschaltet
ist. Das Gebläse 2 weist
eingangsseitig eine Luftdüse 3 auf,
in oder an der eine Gasdüse 4 angeordnet
ist. Die Gasdüse 4 wird
von einer Gasleitung 5 gespeist, der ein Verhältnisregler 6 sowie
Steuerventile 7, 8 vorgeschaltet sind. Letztere
dienen dazu, das Gas freizugeben und zu sperren. Der Verhältnisregler 6 ist
als Druckregler 9 ausgebildet, der in 2 gesondert
veranschaulicht ist. Er enthält
eine Drosseleinrichtung 11 oder ist mit einer solchen verbunden.
Die Drosseleinrichtung 11 ist stromabwärts zu dem Druckregler 9 angeordnet
und beeinflusst den zu der Gasdüse 4 geleiteten
Gasstrom. Während
der Verhältnisregler 6 den
Gasdruck vor der Drosseleinrichtung 11 im Verhältnis zu
dem Umgebungsluftdruck konstant ausregelt, dient die Drosseleinrichtung 11 dazu,
den sich ergebenden Gasstrom einzustellen.
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Sowohl
vor als auch hinter der Drosseleinrichtung sind Druckabnahmestellen 12, 13 vorgesehen.
Die erste Druckabnahmestelle 12 ist zwischen dem Verhältnisregler 6 und
der Drosseleinrichtung 11 angeordnet. Die zweite Druckabnahmestelle 13 ist zwischen
der Drosseleinrichtung 11 und der Gasdüse 4 angeordnet. von
den Druckabnahmestellen 12, 13 zweigen Kanäle 14, 15 ab,
die zu einer Umschalteinrichtung 16 führen. An diese ist eine Steuerleitung 17 angeschlossen,
die zu einem Pilotventil 18 führt. Die Umschalteinrichtung 16 und
die Drosseleinrichtung 11 sind über eine mechanische Wirkverbindung 19 miteinander
verbunden. Beispielsweise wird die Wirkverbindung 18 durch
eine drehbare Welle, eine Steuerstange oder dergleichen gebildet.
Sie kann auch dadurch gebildet sein, dass die Drosseleinrichtung 11 und
die Umschalteinrichtung 16 bau lich miteinander vereinigt
sind. Des Weiteren kann sowohl die Druckabnahmestelle 12 als
auch die Druckabnahmestelle 13 an einem Drosselglied, wie
beispielsweise einem aus 2 ersichtlichen Steuerschieber 21 angeordnet
werden. In dem Ausführungsbeispiel nach 2 wird
jedoch davon kein Gebrauch gemacht.
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Das
Pilotventil 18 geht, wie der Druckregler 9, gesondert
aus 2 hervor. Es weist ein Gehäuse 22 auf, das durch
eine Membran 23 in zwei Arbeitskammern 24, 25 unterteilt
ist. Während
die Arbeitskammer 24 mit der Umgebungsluft verbunden ist,
ist die Arbeitskammer 25 über die Steuerleitung 17 mit der
Umschalteinrichtung 16 verbunden. Eine Stellfeder 26 belastet
die Membran 23 in einer vorgegebenen Richtung. Eine Stellschraube 27 dient
dabei zur Einstellung der Vorspannkraft der Stellfeder. Die Arbeitskammer 24 ist über eine
Leitung 28 oder eine entsprechende Öffnung mit der Umgebung verbunden.
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Die
Membran 23 wirkt zugleich als Ventilglied zum Freigeben
oder zum Verschluss des Auslasses einer Vordruckleitung 29,
die vor dem Druckregler 9 von einem zuführenden Fluidkanal 31 abzweigt.
In der Vordruckleitung 29 ist in der Regel eine Drossel 32 anzuordnen.
Die Vordruckleitung 29 weist in der Arbeitskammer 25 eine
Auslassöffnung 33 auf,
die von der Membran 23 mehr oder weniger freigegeben wird.
Außerdem
verzweigt sie sich und führt
als Leitung 34 zu einem Fluidantrieb 35 zur Betätigung des Druckreglers 9.
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Der
Fluidantrieb 35 weist ein Antriebsgehäuse 36 auf, das in
Bezug auf ein Ventilgehäuse 37 ortsfest
angeordnet ist. Das Antriebsgehäuse 36 ist durch
eine An triebsmembran 38 zweigeteilt. Eine erste Kammer 39 ist
mit der Leitung 34 verbunden. Eine gegenüber liegende
zweite Kammer 41 ist über einen
in dem Ventilgehäuse 37 ausgebildeten
Kanal 42 mit dem Fluidkanal 31 verbunden, der
durch das Ventilgehäuse 37 führt. Im
Laufe des Fluidkanals 31 ist ein in dem Ventilgehäuse 37 ausgebildeter
Ventilsitz 43 angeordnet, dem ein Ventilverschlussglied 44 zugeordnet
ist. Dieses ist über
eine Ventilspindel 45 mit der Antriebsmembran 38 verbunden,
wobei das Ventilverschlussglied 44 stromaufwärts des
Ventilsitzes 43 sitzt. Es wird in Offenstellung überführt, wenn die
Antriebsmembran 38 in Folge Überdrucks in der Kammer 39 im
Sinne einer Vergrößerung des
Volumens in der Kammer 39 bewegt wird. In Gegenrichtung
wirkt eine Druckfeder 46, die in der Kammer 41 angeordnet
ist und das Ventilverschlussglied 4 in Schließrichtung
vorspannt.
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Wie
aus 2 weiter ersichtlich, ist die Druckabnahmestelle 12 an
einer Stelle des Fluidkanals 31 angeordnet, der einen relativ
großen
Strömungsquerschnitt
aufweist. An der Stelle an der die zweite Druckabnahmestelle 13 angeordnet
ist, weist der Fluidkanal 31 einen vergleichsweise kleineren Strömungsquerschnitt
auf. Die erste Druckabnahmestelle 12 liegt zwischen dem
Ventilverschlussglied 44 und dem Steuerschieber 21.
Die zweite Druckabnahmestelle 13 liegt hinter dem Steuerschieber 21.
Die Umschalteinrichtung 16 ist von dem Steuerschieber 21 gebildet.
Der Steuerschieber 21 ist in einer sich quer zu dem Fluidkanal 31 erstreckenden
stromabwärts
des Ventilsitzes 43 angeordneten Öffnung angeordnet. Er ist in
dieser Öffnung
verschiebbar gelagert, so dass er den Fluidkanal 31 mehr
oder weniger freigeben kann. Die Kanäle 14, 15 führen von
den Druckabnahmestellen 12, 13 zu z.B. ge genüber liegenden
Seiten der Öffnung,
in der der Steuerschieber 21 sitzt. In den Steuerschieber 21 ist
ein Kanal integriert, dessen einer Zweig 46 an einer Seite
des Steuerschiebers 21 mündet. Ein anderer Zweig 47 mündet an
der gegenüber
liegenden Seite. Die Zweige 46, 47 sind dabei
so angeordnet, dass sie mit den entsprechenden Kanälen 14, 15 in
unterschiedlichen Längspositionen
bzw. Verschiebepositionen des Steuerschiebers 21 kommunizieren.
Ist der Steuerschieber so weit in das Ventilgehäuse 37 eingeschoben,
dass er den Fluidkanal 31 schließt oder fast schließt oder
zum Teil schließt,
kommuniziert der Zweig 46 mit dem Kanal 14. Dazu
können
der Kanal 14 und der Zweig 46 bezogen auf die
axiale Verschiebungsrichtung des Steuerschiebers 21 eine
entsprechende Ausdehnung aufweisen. Ist der Steuerschieber 21 jedoch
so weit aus dem Ventilgehäuse 37 heraus
bewegt, dass er den Fluidkanal 31 fast freigibt oder ganz
freigibt, kommuniziert der Zweig 47 mit dem Kanal 15.
Die Fluidverbindung zwischen dem Kanal 14 und dem Zweig 46 kann
fortbestehen oder aufgehoben d.h. gesperrt sein.
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Die
insoweit beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt:
Bei geschlossenen
Steuerventilen 7, 8 ruht die Anordnung – es gelangt
kein Gas zu der Gasdüse 4.
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Sind
die Steuerventile 7, 8 offen und steht der Steuerschieber 21 beispielsweise
auf einer mittleren Position, um ein bestimmtes Gas/Luft-Verhältnis einzustellen,
regelt der Verhältnisregler 6 einen bezogen
auf den Umgebungsluftdruck konstanten Druck vor der Drosseleinrichtung 11 ein.
Auf der Membran 23 lasten die Kraft der Feder 26 und
der Umgebungsluftdruck. Damit ist die Öffnung 33 zunächst weitgehend
geschlossen. Durch die Drossel 32 hindurch kann der anstehende
Gasdruck über
die Leitung 34 in die Kammer 39 gelangen und bewirkt somit
eine gewisse Öffnung
des Druckreglers 9, d.h. ein Abheben des Ventilverschlussglieds 44 von
dem Ventilsitz 43. Dadurch steigt der Druck zwischen dem Ventilverschlussglied 44 und
dem Steuerschieber 21 so lange an bis über die Druckabnahmestelle 12 und die
Umschalteinrichtung 16 ein ausreichender Gegendruck abgenommen
wird, der über
die Steuerleitung 17 in die Arbeitskammer 25 gelangt.
Mit zunehmendem Druck in der Arbeitskammer 25 wird die Membran 23 von
der Öffnung 33 weg
bewegt, so dass diese graduell mehr und mehr freigegeben wird. Der
sich dadurch einstellende Druckabfall in der Leitung 34 stabilisiert
schließlich
das Druckverhältnis zwischen
den Kammern 39 und 41 und somit die Position des
Ventilverschlussglieds 44. Änderungen des Eingangsdrucks
oder des Ausgangsdrucks des Druckreglers 9 werden ausgeregelt,
indem das Ventilverschlussglied 44 mehr oder weniger von
dem Ventilsitz 43 weg bewegt wird.
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In
diesem Arbeitsgebiet kann der Drosselschieber 21 bewegt
werden, um einen größeren oder geringeren
Gasstrom freizugeben und um somit beispielsweise eine Anpassung
an größere oder
kleinere Gebläsebrenner
oder an sonstige Gegebenheiten vorzunehmen. In Grenzen kann damit
auch eine Leistungsbeeinflussung vorgenommen werden.
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Ein
etwas anderes Arbeitsspiel ergibt sich bei vollständig oder
nahezu vollständig
geöffneter Drosseleinrichtung 11,
d.h. wenn der Steuerschieber 21 den Fluidkanal 31 fast
ganz freigibt. In diesem Fall kann von dem angeschlossenen Brenner
ein Gasrückstau
erfolgen, der zu einem Druckanstieg an der Steuerleitung 17 und/oder
dem Kanal 42 führen
würde,
was beides zu einer Drosselung des Gasstroms durch den Druckregler 9 führt. Außerdem kann
ein hoher Gasstrom den Druck vor dem Druckregler 9 zusammenbrechen
lassen, was ebenfalls zu einer Schließtendenz des Druckreglers 9 führt. Dem
wird zuvorgekommen, indem nun die zweite Druckabnahmestelle 13 aktiviert
ist. An dieser Druckabnahmestelle ist in Folge der hohen Strömungsgeschwindigkeit
ein verminderter Druck zu messen, so dass die Strömung eine
Verminderung des Drucks in der Arbeitskammer 25 bewirkt.
Damit wird die Öffnung 33 tendenziell
geschlossen, was wiederum dem Druckregler 9 eine Öffnungstendenz
verleiht. Es kann somit durch das vollständige Öffnen des Steuerschiebers 21,
der zugleich ein Umschalten von der Druckabnahmestelle 12 auf
die Druckabnahmestelle 13 bewirkt, der Druckregler 9 ganz
geöffnet
und somit der Strömungswiderstand
der gesamten Anordnung auf ein Minimum reduziert werden. Damit lassen
sich mit niedrigen Querschnitten hohe Gasdurchflüsse erzielen. Außerdem bleibt
der Druckregler 9 auch bei hohem Gegendruck von dem Brenner
oder bei Zusammenbrechen des Eingangsdrucks vor dem Druckregler 9,
d.h. schlicht bei verminderter Druckdifferenz über dem Druckregler aktiv.
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Ein
Servodruckregler, insbesondere zur Speisung eines Brenners mit variablen
Gasströmen, weist
ein Druckreglerventil 48 auf, das von einem Ventilverschlussglied 44 und
einem Ventilsitz 43 gebildet ist. Zur Betätigung des
Druckreglerventils 48 dient ein Fluidantrieb 35,
dessen Arbeitsdruck von einem Pilotventil 18 reguliert
wird. Dieses greift seinen Steuerdruck vor oder nach einer Drosseleinrichtung 11 ab
und zwar je nach dem, ob die Drosseleinrichtung auf Teillast oder
auf Volllast steht. Bei Volllast wird der Steuerdruck vorzugsweise
an einer zweiten, hinter der Drosseleinrichtung 11 liegenden
Druckabnahmestelle 13 abgenommen. Bei Teillast wird der Steuerdruck
vorzugsweise vor der Drosseleinrichtung 11 abgenommen,
um den Gasdruck vor der Drosseleinrichtung 11 konstant
zu halten. Mit dieser Maßnahme
lassen sich bei Volllast erhöhte
Gasdurchflüsse
erreichen. Außerdem
lässt sich
erreichen, dass der Druckregler bei Druckabfall in Folge Volllast
aktiv bleibt.