DE102009056140A1

DE102009056140A1 - Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners und Gasbrenner

Info

Publication number: DE102009056140A1
Application number: DE102009056140A
Authority: DE
Inventors: Marco Melo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners, insbesondere modulierender Vormischbrenner, sowie einen Gasbrenner zur Verwendung in Brennkammern von Heizgeräten mit einem Brennergehäuse, einer Gaszuführung und einem Gasventil (1), einem Verbrennungsluftkanal (2), welcher in eine Mischeinrichtung (3) zum Mischen von Verbrennungsluft und Gas mündet, einem nachgeschalteten Gebläse (4) zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches, einer Brenneroberfläche (5), einer Zündvorrichtung, einer Flammenüberwachungsvorrichtung sowie einer Regeleinrichtung (6). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasbrenner mit einer sicheren und robusten Gas-/Luft-Gemischbildung, einer relativ großen Leistungs-Modulationsfähigkeit und einem möglichst geringen elektrischen Energieverbrauch zu schaffen. Der konstruktive Aufbau des Gasbrenners ist dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Mischeinrichtung (3) im Verbrennungsluftkanal (2) eine Stromerzeugungseinheit (9), bestehend aus einer mit einem Generator gekoppelten Turbine, angeordnet ist und dass diese eine elektrische Spannung erzeugt, welche als Spannungssignal in der Regeleinrichtung (6) verarbeitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners, insbesondere einen modulierenden Vormischbrenner, zur Verwendung in Brennkammern von Heizgeräten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Gasbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.
Gattungsgemäße Gasbrenner umfassen ein Brennergehäuse, eine Gaszuführung, ein Gasventil, ein Verbrennungsluftkanal, welcher in eine Mischeinrichtung zum Mischen von Verbrennungsluft und Gas mündet, ein nachgeschaltetes Gebläse zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches, eine Brenneroberfläche, eine Zündvorrichtung, eine Flammenüberwachungsvorrichtung sowie eine Regeleinrichtung. Sie dienen dem kontrollierten Verbrennen eines Gas-/Luft-Gemischs zur Wärmeerzeugung. Hinsichtlich ihrer Feuerungsleistung arbeiten sie entweder einstufig, mehrstufig oder stufenlos modulierend.
Bekannte modulierende Geräte decken zumeist einen Bereich von etwa 25% bis 100% ihrer Nennleistung ab. Mit diesem Modulationsbereich von 1 zu 4 variieren dann auch die Volumenströme und die Strömungsgeschwindigkeiten von Gas-/Luft-Gemisch und Heizgasen etwa im Verhältnis 1 zu 4. Liegen niedrigere Wärmeanforderungen an, so muss der Brenner taktend betrieben werden. Dieser Ein-/Aus-Betrieb ist erstens nachteilig für die betroffenen Schaltungskomponenten und zweitens auch ungünstig hinsichtlich der Stillstands-Wärmeverluste durch Auskühlung. Deshalb wird angestrebt, die taktende Betriebsweise nach Möglichkeit zu vermeiden. Zur ungetakteten Erfüllung auch sehr kleiner Wärmeanforderungen, wie sie sich aus dem Heizbetrieb und Warmwasserzapfbetrieb ergeben können, ist deshalb ein möglichst hoher Leistungsmodulationsbereich bis herunter zu 10% der Nennleistung oder darunter wünschenswert. Diese Forderung können herkömmliche Gasbrenner nicht erfüllen.
Nach oben wird der Modulationsbereich unter anderem durch die sich einstellende Ausbrandhöhe des Gemischs begrenzt, die aus Emissionsgründen in jedem Fall kleiner als die Brennkammerhöhe sein muss. Diese Ausbrandhöhe ergibt sich aus dem Heizgasvolumenstrom, dem relevanten Brennerquerschnitt, der Luftzahl des Gas-Luft-Gemischs sowie dem Gegendruck in der Brennkammer. Aus Gründen der gewünschten Kompaktheit des Heizgerätes liegen die Abmessungen von Brennkammerhöhe und Brennerquerschnitt in der Regel innerhalb enger Grenzen.
Bekannt ist weiterhin die Stromproduktion innerhalb von elektrisch autark betriebenen Heizgeräten, insbesondere Warmwasser-Durchlauferhitzern, mittels einer Turbine im Wasserkreislauf, welche einen Generator antreibt. Damit soll während des Heizgerätebetriebes mindestens so viel elektrische Energie erzeugt und gespeichert werden, dass eine Zündung beim nächsten Brennerstart möglich ist. Dabei kommt die Startanforderung über die detektierte Wasserströmung im Heizgerät zustande.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasbrenner mit einer sicheren und robusten Gas-/Luft-Gemischbildung, einer relativ großen Leistungs-Modulationsfähigkeit und einem möglichst geringen elektrischen Energieverbrauch zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners ist dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts einer Mischeinrichtung im Verbrennungsluftkanal eine Stromerzeugungseinheit, bestehend aus einer mit einem Generator gekoppelten Turbine, angeordnet ist. Mit dieser wird eine elektrische Spannung erzeugt, welche als Spannungssignal in der Regeleinrichtung verarbeitbar ist. Dabei wird das elektrische Spannungssignal als Signal für den Luftmassenstrom in der Regeleinrichtung ausgewertet und mit der aktuellen Einstellung des Gasventils und wahlweise auch weiteren vorgebbaren Sollwerten verglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gebläse zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches von der Regeleinrichtung entsprechend der aktuellen Feuerungsleistung angesteuert. Diese Form von Drehzahlregelung erfolgt beispielsweise über die bereits bekannte Pulsweitenmodulation. Das mit der Stromerzeugungseinheit erzeugte aktuelle elektrische Spannungssignal wird in der Regeleinrichtung mit der aktuellen Einstellung des Gasventils verglichen. Je nach Abweichung zwischen Soll- und Istwert erfolgt dann eine Verstellung des Gasventils nach vorgebbaren, jeweils dem aktuellen Spannungssignal zugeordneten Werten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das elektrische Spannungssignal mit einem Gleichrichter zu Gleichstrom umgeformt. Dieser Gleichstrom steht zum Betrieb von elektronischen Bauteilen des Gasbrenners und/oder des Heizgerätes zur Verfügung. Dadurch wird der Stromverbrauch des Gasbrenners bzw. des gesamten Heizgerätes verringert und die Energieeffizienz andererseits verbessert. In Ergänzung dazu wird bei einem elektrisch autark betreibbaren Heizgerät der während des Betriebes mit der Stromerzeugungseinheit erzeugte elektrische Strom in einem Speicher für elektrische Energie gepuffert und ist als Zündspannung für einen nachfolgenden Start abrufbar.
Der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Gasbrenners zur Durchführung des patentgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine stromaufwärts der Mischeinrichtung im Verbrennungsluftkanal angeordnete Stromerzeugungseinheit, bestehend aus einem Generator mit angeschlossener Turbine, zur Erzeugung von elektrischem Strom. Diese Stromerzeugungseinheit ist mit der Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Gasventils verknüpft.
Parallel dazu ist diese Stromerzeugungseinheit mit einem Gleichrichter zur Umwandlung in Gleichstrom verknüpft, so dass Gleichstrom führende Leitungen elektronische Bauteile des Gasbrenners und/oder des Heizgerätes mit Strom versorgen. Für das Puffern der bei einem elektrisch autark betreibbaren Heizgerät während des Betriebes der Stromerzeugungseinheit erzeugten Stromes ist ein Speicher für elektrische Energie vorgesehen. Aus diesem ist elektrische Energie als Zündspannung für einen nachfolgenden Start abrufbar.
Mit der Erfindung wird somit ein Gasbrenner mit einer sicheren und robusten Gas-/Luft-Gemischbildung, einer relativ großen Leistungs-Modulationsfähigkeit und einem möglichst geringen elektrischen Energieverbrauch geschaffen. Die Gemischbildung ist sehr homogen und durch die verbrennungsluftseitige Massenstrommessung auch sehr genau.
Die Zeichnungen stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt:
1: den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gasbrenners in einem Schnitt und
2: schematisch die Verknüpfung der Gasbrenner- und Heizgerätekomponenten.
Der Gasbrenner besteht im Wesentlichen aus einer Gaszuführung mit einem Gasventil 1, einem Verbrennungsluftkanal 2, welcher in eine Mischeinrichtung 3 zum Mischen von Verbrennungsluft und Gas mündet, einem nachgeschalteten Gebläse 4 zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches zu einer Brenneroberfläche 5 sowie einer Regeleinrichtung 6. In dieser laufen elektrischen Signale zusammen. Zum Beispiel bei einem als Durchlauferhitzer ausgebildeten Heizgerät eine Signal für die Wasserströmung aus einem dem Wasserventil 7. Auch werden von der Regeleinrichtung 6 aus das Gebläse 4 und das Gasregelventil 1 angesteuert sowie weitere Komponenten 8, wie zum Beispiel Sensoren, Ventile, Displays oder Leiterplatten-Lüfter, mit der nötigen Betriebsspannung versorgt.
Stromaufwärts der Mischeinrichtung 3 befindet sich im Verbrennungsluftkanal 2 eine Stromerzeugungseinheit 9, bestehend aus einer mit einem Generator gekoppelten Turbine.
Diese erzeugt eine elektrische Spannung, welche als Spannungssignal in der Regeleinrichtung 6 verarbeitbar ist. Das Spannungssignal gibt Aufschluss über den tatsächlich zugeführten Luftmassenstrom, so dass die Regeleinrichtung 6 dementsprechend das Gasregelventil 1 ansteuern kann.
Weiterhin ist die in der Stromerzeugungseinheit 9 erzeugte Spannung mit einem Gleichrichter in der Regeleinrichtung 6 zur Umwandlung in Gleichstrom verknüpft. Von dort aus werden dann weitere Komponenten 8 mit der nötigen Betriebsspannung versorgt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners, insbesondere modulierender Vormischbrenner, zur Verwendung in Brennkammern von Heizgeräten mit einem Brennergehäuse, einer Gaszuführung und einem Gasventil (1), einem Verbrennungsluftkanal (2), welcher in eine Mischeinrichtung (3) zum Mischen von Verbrennungsluft und Gas mündet, einem nachgeschalteten Gebläse (4) zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches, einer Brenneroberfläche (5), einer Zündvorrichtung, einer Flammenüberwachungsvorrichtung sowie einer Regeleinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Mischeinrichtung (3) im Verbrennungsluftkanal (2) eine Stromerzeugungseinheit (9), bestehend aus einer mit einem Generator gekoppelten Turbine, angeordnet ist und dass diese eine elektrische Spannung erzeugt, welche als Spannungssignal in der Regeleinrichtung (6) verarbeitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Spannungssignal als Signal für den Luftmassenstrom in der Regeleinrichtung (6) ausgewertet und mit der aktuellen Einstellung des Gasventils (1) und weiteren vorgebbaren Sollwerten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (4) zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches von der Regeleinrichtung (6) entsprechend der aktuellen Feuerungsleistung angesteuert wird, dass das mit der Stromerzeugungseinheit (9) erzeugte aktuelle elektrische Spannungssignal in der Regeleinrichtung (6) mit der aktuellen Einstellung des Gasventils (1) verglichen wird, und dass das Gasventil (1) entsprechend nach vorgebbaren, jeweils dem aktuellen Spannungssignal zugeordneten Werten verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Spannungssignal mit einem Gleichrichter zu Gleichstrom umgeformt wird, und dass dieser Gleichstrom zu Betrieb von elektronischen Bauteilen des Gasbrenners und/oder des Heizgerätes verwendbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem elektrisch autark betreibbaren Heizgerät der während des Betriebes der Stromerzeugungseinheit (9) erzeugte elektrische Strom in einem Speicher für elektrische Energie gepuffert wird und als Zündspannung für einen nachfolgenden Start abrufbar ist.
Gasbrenner, insbesondere modulierender Vormischbrenner, zur Verwendung in Brennkammern von Heizgeräten mit einem Brennergehäuse, einer Gaszuführung und einem Gasventil (1), einem Verbrennungsluftkanal (2), welcher in eine Mischeinrichtung (3) zum Mischen von Verbrennungsluft und Gas mündet, einem nachgeschalteten Gebläse (4) zur Förderung des Gas-/Luft-Gemisches, einer Brenneroberfläche (5), einer Zündvorrichtung, einer Flammenüberwachungsvorrichtung sowie einer Regeleinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Mischeinrichtung (3) im Verbrennungsluftkanal (2) eine Stromerzeugungseinheit (9), bestehend aus einer mit einem Generator gekoppelten Turbine, angeordnet ist, dass diese Stromerzeugungseinheit (9) mit der Regeleinrichtung (6) zur Ansteuerung des Gasventils (1) verknüpft ist.
Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungseinheit (9) mit einem Gleichrichter zur Umwandlung in Gleichstrom verknüpft ist, und dass Gleichstrom führende Leitungen zur Versorgung von elektronischen Bauteilen des Gasbrenners und/oder des Heizgerätes vorgesehen sind.
Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für das Puffern des bei einem elektrisch autark betreibbaren Heizgerät während des Betriebes der Stromerzeugungseinheit (9) erzeugten elektrischen Stromes ein Speicher für elektrische Energie vorgesehen ist und dass elektrische Energie aus dem Speicher als Zündspannung für einen nachfolgenden Start abrufbar ist.