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Verfahren
zur Einstellung von Betriebsparametern an einer Feuerungseinrichtung,
insbesondere an einem Gasbrenner mit Gebläse, wobei die von der Feuerungseinrichtung
erzeugte Temperatur (Tist) von dem Wert
der Luftzahl (λ)
abhängt
und bei dem Wert λ1 = 1 ein Maximum (Tm ax) aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Feuerungseinrichtung, insbesondere einen Gasbrenner, der zur
Durchführung
des Verfahrens angepasst ist.
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Im
Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer
für die
Bereitung von Warmwasser in einem Kessel oder zur Bereitstellung von
Heizwärme
eingesetzt. In den jeweiligen Be triebszuständen werden an das Gerät unterschiedliche
Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere die Leistungsabgabe
des Brenners, üblicherweise als
Brennerbelastung bezeichnet, und die von der Brennerflamme erzeugte
Temperatur.
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Die
Brennerbelastung wird im Wesentlichen durch die Einstellung der
Menge von Verbrennungsluft und des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft
bestimmt. Die Einstellung des Mischungsverhältnisses erfolgt, insbesondere
bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch ein pneumatisches Gasregelventil
(Prinzip des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Reglung
werden Drücke
oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen gemessen.
Diese Größen werden
als Steuergrößen für das Gasregelventil
verwendet. Nachteilig an der pneumatischen Regelung ist jedoch insbesondere,
dass empfindliche mechanische Bauteile eingesetzt werden müssen, die
auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders
bei niedrigen Arbeitsdrücken
kommt es daher zu Ungennauigkeiten. Außerdem ist der Aufwand bei
der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten pneumatischen Gasregelventile
wegen der hohen Präzisionsanforderungen
beachtlich. Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen
der Gasart und -qualität
nicht flexibel reagiert werden. Um gewünschte Anpassungen der Gaszufuhr
dennoch vornehmen zu können,
müssen
zusätzliche
Einrichtungen, z.B. Düsen
und Blenden gasartenabhängig
bereitgestellt werden, was jedoch zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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Bei
einer elektronischen Steuerung kann hingegen ein einfach steuerbares
Gasregelventil, etwa mit pulsweitenmodulierter Spule oder Schrittmotor, eingesetzt
werden, um in Verbindung mit einem drehzahlsteuerbaren Gebläse die gewünschte Luftmenge und
das gewünschte
Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen
(elektronischer Verbund). Dabei kann auf Änderungen der Gasqualität flexibel
reagiert werden.
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Bei
vorgegebener Luftmenge ist das Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft
so einzustellen, dass das Gas möglichst
vollständig
und sauber verbrennt. Zur Charakterisierung des Mischungsver hältnisses
zwischen Gas und Luft wird typischerweise die Luftzahl ☐ verwendet.
Sie ist definiert als das Verhältnis
der tatsächlich
zugeführten
Luftmenge zu der theoretisch für
optimale stöchiometrische
Verbrennung erforderlichen Luftmenge. Zu einer Optimierung der Abgaswerte
(CO, CO2) werden Gasbrenner typischerweise
mit Luftüberschuss
betrieben. Der Sollwert für
die Luftzahl ☐S liegt für hygienisch
optimale Verbrennung bei 1,3. Beim Betrieb eines Gasbrenners mit
elektronischem Verbund ist sicherzustellen, dass die Luftzahl ☐ bei
den unterschiedlichen Brennerbelastungen immer möglichst nahe am Sollwert ☐5 liegt. Zusätzlich ist zu beachten, dass
sich die Betriebsbedingungen nach der Inbetriebnahme des Geräts ändern können und
dann die Parameter der Verbrennungsregelung entsprechend angepasst
werden müssen.
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In
der
EP 770 824 B1 ist
ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe einer Ionisationselektrode
ein Kalibrierzyklus zum Nachzustellen des elektrischen Sollwerts
der Ionisationselektrode durchlaufen wird. Dadurch sollen Änderungen
der thermischen Kopplung zwischen der Ionisationselektrode und dem
Gasbrenner, die beispielsweise auf Grund von Verschleiß, Verbiegen
und auf Grund von Verschmutzungen entstehen, ausgeglichen werden.
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Mit
diesem Verfahren, das alleine auf das Signal der Ionisationselektrode
zurückgreift,
ist es zwar möglich
das Ionisationssignal für ☐ =
1 genau zu bestimmen. Allerdings kann der Sollwert für die Luftzahl anschließend nicht
genau eingestellt werden, da zum Beispiel die Anlagenkennlinie unberücksichtigt
bleibt Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben,
mit dem die Parameter der Verbrennung an geforderte Brennerbelastungen
einfach und zuverlässig
eingestellt werden können.
Auch ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zu
schaffen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch
sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
6.
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Bei
dem Verfahren zur Einstellung von Betriebsparametern an einer Feuerungseinrichtung, insbesondere
an einem Gasbrenner mit Gebläse, wobei
die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur (Tist)
von dem Wert der Luftzahl (λ)
abhängt
und bei dem Wert λ1 = 1 ein Maximum (Tmax) aufweist,
werden die folgende Schritte durchgeführt:
- • Einsteuern
eines vorgegebenen Luft-Massenstroms (mL);
- • Ermitteln
des für
die Temperatur (Tmax) zugehörigen Gasmassenstroms
(mGTmax)
- • Festlegen
eines Sollwerts der Luftzahl (λhy) für eine
gewünschte
hygienische Verbrennung;
- • Einsteuern
der gewünschten
hygienischen Verbrennung durch Erhöhen des Luft-Massenstroms (mL) um den Faktor (λhy)
bei konstanter Zufuhr des Gasmassenstroms (mGTmax)
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Die
sich dabei ergebende Ist-Temperatur wird registriert.
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Ausgehend
von einem zufällig
oder zuletzt eingestellten Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff
wird die pro Zeiteinheit zugeführte
Brennstoffmenge bei konstanter pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge
kontinuierlich oder schrittweise verändert. Durch Ermittlung und
Erfassung der im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessenen Temperatur
wird die pro Zeiteinheit zugeführte
Brennstoffmenge so eingestellt, dass die gemessene Temperatur ein
Maximum annimmt. Anschließend
wird die pro Zeiteinheit zugeführte
Luftmenge unter Beibehaltung der vorher eingestellten Brennstoffmenge
unter Nutzung des Luftmassenstromsensors um den Faktor hy erhöht. Auf
diese Weise kann für
jede gewünschte Brennerbelastung
bei unterschiedlichen Gasqualitäten,
aber auch bei Veränderung
von Einstellungen bzw. bei einer Änderung der Charakteristika
der am Gasbrenner angeordneten Sensoren, der Sollwert der Luftzahl
für hygienisch
optimale Verbrennung genau, sicher und zuverlässig eingestellt werden.
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Aus
konstruktionsbedingten Gründen
kann es möglich
sein, dass mit der Erhöhung
der Luftmenge zwangsläufig
auch eine Erhöhung
der Gasmenge einhergeht. In einem solchen Fall kann eine konstruktiv
geeignet gestaltete Zumischungsgeometrie die Erhöhung der Gasmenge auf einen
vernachläßigbaren
Wert reduzieren.
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Durch
Verwendung von Massenstromsensoren im Gasmassenstrom kann jedoch
ohne konstruktive Anpassung eine Steuereinrichtung den Gasmassenstrom
durch eine entsprechende Beaufschlagung des Gasventils auf den bei
Tmax gefundenen Wert mGTmax zurückstellen.
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Schließlich ist
es auch möglich,
den erhöhten Gasmassenstrom
rechnerisch zu ermitteln und die Luftzahl λhy entsprechend
höher einzustellen.
Auch kann daran gedacht werden, die Gasmenge um den errechneten
Wert zu reduzieren, was jedoch ein höchst genaues Ventil erfordert.
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Insbesondere
bei Schwankungen der Qualität
des Verbrennungsgases sollte eine Neueinstellung der Luftzahl vorgenommen
werden, um die hygienisch optimale Verbrennung sicherzustellen.
Ein Nachstellen der Luftzahl kann dabei beispielsweise in periodischen
Zeitabständen,
bei einem Lastwechsel, beim Betriebsstart, oder bei einer Wartung
des Geräts
durchgeführt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung,
insbesondere ein Gasbrenner, ist zur Durchführung eines der oben genannten
Verfahren angepasst.
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Insbesondere
weist die Feuerungseinrichtung einen Temperatursensor im Wirkungsbereich der
Brennerflamme der Feuerungseinrichtung auf. Der Temperatursensor
kann dabei im Flammenkern, am Flammenfußpunkt, an der Flammenspitze,
jedoch auch in einiger Entfernung von der Flamme, beispielsweise
am Brennerblech selbst, angeordnet sein.
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Außerdem weist
die Feuerungseinrichtung bevorzugt ein Gasventil mit einem Stellglied,
insbesondere mit einem Schrittmotor, einer pulsweitenmodulierten
Spule oder mit einer durch eine elektrische Größe gesteuerten Spule, auf.
Da das Verfahren insbesondere für
den elektronischen Verbund geeignet ist, können die genann ten Ventile,
die einfach und präzise
betätigbar
sind, eingesetzt werden.
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Die
Feuerungseinrichtung weist weiter einen Massenstromsensor und/oder
Volumenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro
Zeiteinheit zugeführten
Luftmenge auf.
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Weitere
Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 eine
Feuerungseinrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine
Kennlinie zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine
weitere Kennlinie zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
einen Gasbrenner, bei dem ein Gemisch aus Luft L und Gas G vorgemischt
und verbrannt wird.
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Der
Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den
Verbrennungsluft L von einem drehzahlregelbaren Gebläse 9 angesaugt
wird. Ein Massenstromsensor 2 misst den Massenstrom der angesaugten
Luft L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass
in seiner Umgebung eine möglichst laminare
Strömung
erzeugt wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der
Massenstromsensor in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung
eines Strömungsgleichrichters
angeordnet werden. Mit Hilfe des Massenstromsensors und des drehzahlregelbaren
Gebläses 9 kann
die Luftzufuhr in den Mischbereich 8 genau gesteuert werden.
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Für die Gaszufuhr
ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung
angeschlossen ist. Der Gaszufuhrabschnitt kann mit einem Massenstromsensor
geeigneter Bauart versehen sein. Mittels eines Ventils 6,
beispielsweise eines pulsweitenmodulierten oder elektronisch gesteuerten
Ventils, das z.B. mit einem Stellglied mit Schrittmotor ausgestattet
ist, wird der Zu fluss von Gas durch eine Leitung 7 in den
Mischungsbereich 8 gesteuert. Im Mischungsbereich 8 findet
eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator
des Gebläses 9 wird
mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft
L als auch das Gas G anzusaugen.
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Bei
vogegebenem Luftmassenstrom wird das Ventil 6 so weit geöffnet, dass
das Luft-Gas-Gemisch mit dem gewünschten
Mischungsverhältnis
in den Mischbereich 8 gelangt. Dabei wird die Luftzahl ☐ so
eingestellt, dass eine hygienisch optimale Verbrennung stattfindet.
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Über eine
Leitung 10 strömt
das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum
Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13,
die eine vorgegebene Wärmeleistung
abgeben soll.
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Am
Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise
ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird
eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung des nachfolgend beschriebenen
Verfahrens zur Einstellung des Sollwertes λh der
Luftzahl verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 an
einer Oberfläche
des Brennerteils 11 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar,
den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich der Flamme 13 anzuordnen.
Die Referenztemperatur des Thermoelements wird an einer Stelle außerhalb
des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der
Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
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Eine
nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des
Luft- und/oder Gasstroms erhält
Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und vom Massenstromsensor 2 und
gibt Steuersignale an das Ventil 6 sowie an den Antrieb
des Gebläses 9 ab.
Die Öffnung
des Ventils 6 und die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 werden
so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr ergibt.
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Die
Steuerung erfolgt dabei durch Durchführung des nachfolgend beschriebenen
Verfahrens. Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen Speicher
zum Abspeichern von Kennlinien bzw. von Sollwerten sowie eine entsprechende
Datenverarbeitungseinheit auf, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet
ist.
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Anhand
der in der 2 dargestellten Kennlinie soll
das erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben werden. In dieser Figur ist die gemessene Temperatur
in Abhängigkeit
von der Luftzahl λ dargestellt.
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Zu
Beginn des Verfahrens ist durch die Drehzahl des Gebläses und
die Öffnung
des Gasventils eine bestimmte Luftzahl λ0 eingestellt,
die beispielsweise dem zuletzt eingestellten Wert entspricht. Im vorliegenden
Fall liegt λ0 oberhalb des Wertes λ1, bei dem
sich das Temperaturmaximum Tmax ergibt.
Durch Erhöhung
des zugeführten
Massenstroms an Brenngas bei konstantem Luftmassenstrom mL1 wird λ reduziert
Die Veränderung
des Gasmassenstroms kann dabei beispielsweise schrittweise unter
Variation der Schritte des Schrittmotors des Gasventils durchgeführt werden.
Bei jedem Schritt wird mit dem Temperatursensor 12, der
im Bereich der Brennerflamme angeordnet ist, die Ist-Temperatur
Tist bestimmt. Mit geeigneten Iterationsverfahren
wird die Öffnung
des Gasventils dann solange variiert, bis sich das Temperaturmaximum
Tmax einstellt.
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Im
zweiten Verfahrensschritt wird unter Beibehaltung der Öffnung des
Gasventils der Luftmassenstrom mL1 um den
Sollwert λhy der Luftzahl erhöht. Es ergibt sich der neue
Luftmassenstrom mhy = λhy mL1. Die Luftzahl ist damit genau auf den
gewünschten
Sollwert λhy eingestellt, und die Verbrennung erfolgt
hygienisch optimal. Nach Einstellung der gewünschten Luftzahl λhy wird
die zugehörige
Temperatur Tsoll gemessen.
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Bei
einem Lastwechsel, das heißt
bei einer erforderlichen Änderung
der Brennerbelastung, wird das Verfahren in der Regel erneut durchgeführt. Das Verfahren
kann auch nach dem Einschalten des Gasbrenners durchgeführt oder
in periodischen Abständen
wiederholt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der
Gasbrenner stets in einem optimalen Bereich betrieben wird.
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Um
zu verhindern, dass das Verfahren bei jedem Lastwechsel erneut durchgeführt werden
muss, kann eine zweite Kennlinie, wie in 3 gezeigt,
ermittelt werden. In 3 ist die Solltemperatur Tso ll, die wie in 2 beschrieben
ermittelt wurde, in Abhängigkeit
vom Luftmassenstrom mL1, der direkt zur Brennerbelastung
proportional ist, dargestellt. Der Sollwert der Luftzahl λhy stellt
sich bei einer bestimmten Brennerbelastung genau dann ein, wenn
die im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessene Temperatur Tist der aus der 3 ausgelesenen
Solltemperatur Tsoll entspricht. Eine Regelung
der Ist-Temperatur Tist auf den vorgegebenen
Sollwert Tsoll führt automatisch zu einer Einstellung
des optimalen Luftzahl bei vorgegebener Brennerbelastung.
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Durch
die Verwendung der zweiten in 3 dargestellten
Kennlinie kann über
einen bestimmten Zeitraum, in dem sich vorzugsweise die Randbedingungen
nicht entscheidend ändern,
die Anlage ohne erneute Durchführung
des Verfahrens bei sich verändernden
Brennerbelastungen, also in verschiedenen Betriebszuständen, betrieben
werden. Allerdings sollte auch hier in periodischen Abständen oder
zu bestimmten Anlässen,
beispielsweise bei einer Wartung des Geräts, die Kennlinie erneut bestimmt
werden, um eine Anpassung an die verfügbare Gasqualität oder an
Instabilitäten
im System zu erreichen.
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In 3 ist
die Solltemperatur Tso ll in
Abhängigkeit
vom Massenstrom der Luft mL, der einer bestimmten
Brennerbelastung entspricht, dargestellt. Wird die Belastung von
einem Betriebszustand 1 in einen Betriebszustand 2,
entsprechend den Luftmassenströmen
mL1 bzw. mL2, umgestellt,
so wird die Temperatur des Gasbrenners so geregelt, dass sich die
Temperatur Tsoll2 einstellt. Dazu wird das Luft-Gasgemisches
durch Verstellung des Gasventils 6 abgemagert oder angefettet.
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Statt
einer völligen
Neubestimmung der zweiten Kennlinie gemäß 3 können bei
Bedarf auch einzelne Werte bei bestimmten Leistungen erfasst werden
und die bisher in der Kennkurve enthaltenen entsprechenden Werte
ersetzen. Es ist auch denkbar, die Kennlinie entsprechend einem
aktuell gemessenen Wert bei bestimmter Belastung insgesamt zu verschieben.
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Die
Durchführung
des Verfahrens führt
zu einem Betriebsmodus, bei dem eine hygienisch optimale Verbrennung
erreicht wird.