DE102012016606A1

DE102012016606A1 - Verfahren zur Regelung einer Heizeinrichtung und Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102012016606A1
Application number: DE102012016606.0A
Authority: DE
Inventors: Mauro Simoes; Luis Monteiro; Marco Marques; Gerardo Rocha; Ricardo Vieira
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-02-27
Also published as: CN104583679A; EP2888530A1; AU2013305101B2; PT2888530T; KR102119376B1; AU2013305101A1; US20150233578A1; CN104583679B; EP2888530B1; WO2014029721A1; ES2632942T3; KR20150045440A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Heizeinrichtung und eine Heizeinrichtung, die einen Brennraum aufweist, wobei in den Brennraum über ein steuerbares Gebläse Verbrennungsluft eingebracht wird. Dabei wird eine Drehzahl des Gebläserads erfasst. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Ermittlung eines Luftvolumenstroms mit geringem Aufwand zu ermöglichen. Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass ein statischer Druck und/oder eine Leistungsaufnahme des Gebläses ermittelt werden, wobei ein Volumenstrom der Verbrennungsluft anhand der Drehzahl in Verbindung mit dem statischen Druck oder der Leistungsaufnahme bestimmt wird. Die Heizeinrichtung weist dafür einen Drehzahlsensor und einen Drucksensor und/oder einen Leistungssensor auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Heizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Heizeinrichtungen dienen zur Erwärmung eines Heizmediums, wobei in der Regel Heizwasser eingesetzt wird. Die Heizeinrichtung weist dabei einen Brennraum auf, in dem ein Brennstoff, wie beispielsweise ein Gas, verbrannt wird. Dabei wird Verbrennungsluft über ein Gebläse zugeführt. Die freiwerdende Wärme wird in einem Wärmetauscher an das Heizmedium übertragen.
Für eine saubere Verbrennung ist ein richtiges Verhältnis vom zugeführten Verbrennungsluftvolumen und zugeführter Brennstoffmenge wesentlich. Wird zu wenig Luft zugeführt, kann der Brennstoff nicht vollständig verbrennen. Dadurch ergeben sich hohe Schadstoffemissionen, insbesondere von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff. Wird zu viel Luft zugeführt, wird die Verbrennung abgekühlt, was ebenfalls zu erhöhten Schadstoffemissionen führt.
Üblicherweise erfolgt eine Steuerung der Menge an zugeführter Verbrennungsluft durch die entsprechende Ansteuerung des Gebläses. Das Gebläse weist in der Regel ein Gebläserad auf, dessen Drehzahl einen Volumenstrom der Verbrennungsluft beeinflusst, also das Volumen je Zeiteinheit. Dabei kann der Volumenstrom überwacht werden.
Es ist bekannt, den Volumenstrom durch Differenzdruckmessung zu ermitteln. Dafür wird beispielsweise in DE 10 159 033 A1 vorgeschlagen, an zwei unterschiedlichen Messstellen einen Druck zu erfassen. Da zwischen den beiden Messstellen aufgrund eines Geschwindigkeitsunterschiedes ein statischer Druck der Verbrennungsluft teilweise in einen dynamischen Druck umgewandelt wird, kann zwischen den Messstellen ein Differenzdruck gemessen werden. Daraus lässt sich in bekannter Weise der Volumenstrom bestimmen. Zusätzlich wird eine Drehzahl eines Gebläserades gemessen und unter Berücksichtigung der Geräteauslegung damit der Volumenstrom bestimmt. Damit wird ein redundantes Kontrollsystem erhalten.
Dieses Verfahren benötigt eine spezielle Luftführung und mehrere Messstellen. Es ist daher relativ aufwendig und damit kostenintensiv. Dabei können die Messergebnisse beispielsweise durch Verschmutzungen oder durch Parameteränderungen verfälscht werden. Außerdem besteht das Problem von Drift- und anderen Alterungserscheinungen.
In DE 19 945 562 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Fahrzeugheizgerätes beschrieben, wobei eine Drehzahl eines Gebläses zur Steuerung eines Volumenstromes einer Verbrennungsluft geregelt wird. Dabei wird eine Verbrennung im Brennraum durch einen Druck- oder Schalldrucksensor überwacht.
In DE 10 2005 011 021 A1 ist ein Verfahren zur Anpassung der Geräteheizleistung eines gebläseunterstützten Heizgeräts an die individuellen Druckverluste eines Frischluft-Abgas-Leitungssystems beschrieben, wobei eine Gebläsedrehzahl und eine Gebläseleistung erfasst wird. Liegt das Verhältnis der Gebläsedrehzahl zur gemessenen Gebläseleistung nicht in einem vorgebbaren Bereich, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Ferner ist es bekannt, einen Massenstrom über Heizdrahtsensoren zu ermitteln. Diese sind jedoch relativ teuer und empfindlich. Dabei treten häufig Drifterscheinungen auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere eine Regelung der Heizeinrichtung mit geringem Aufwand zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Gemäß Anspruch 1 werden ein statischer Druck und/oder eine Leistungsaufnahme des Gebläses ermittelt, wobei ein Volumenstrom der Verbrennungsluft anhand der Drehzahl in Verbindung mit dem statischen Druck und/oder der Leistungsaufnahme bestimmt wird. Eine Drehzahlerfassung ist bei variabel ansteuerbaren Gebläsen in der Regel ohnehin vorgesehen. Zusätzlich muss also nur ein Sensor zur Erfassung des statischen Drucks und/oder der Leistungsaufnahme des Gebläses vorgesehen werden. Dies lässt sich mit sehr wenig Aufwand realisieren. Dabei sind derartige Sensoren als Massenartikel sehr kostengünstig erhältlich.
Bevorzugterweise werden Referenzwerte für einen Druckkoeffizienten und/oder einen Leistungskoeffizienten in Abhängigkeit von einem Volumenstromkoeffizienten an einem Referenzgebläse ermittelt, wobei die Referenzwerte bei der Bestimmung des Volumenstromes berücksichtigt werden. Der Druckkoeffizient H ist abhängig von der Erdbeschleunigung g, der Drehzahl N, dem Durchmesser D des Gebläserades sowie dem statischen Druck h und berechnet sich nach folgender Formel:
Da es sich bei der Erdbeschleunigung g um eine konstante Größe und beim Durchmesser des Gebläserades um eine bekannte, unveränderbare Größe handelt, lässt sich nach Messung des statischen Drucks und der Drehzahl der Druckkoeffizient bestimmen.
Der Leistungskoeffizient P ist abhängig von der Leistungsaufnahme W, der Dichte der Verbrennungsluft ρ, der Drehzahl N, dem Durchmesser D und berechnet sich nach folgender Formel:
Die Dichte der Verbrennungsluft kann näherungsweise als konstant angesehen werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die Dichte aber auch zusätzlich erfasst werden. Der Durchmesser des Gebläserades ist konstant. Durch Erfassung von Drehzahl und Leistungsaufnahme lässt sich der Leistungskoeffizient also einfach berechnen.
Der Volumenstromkoeffizient F, der eine quadratische Funktion des Druckkoeffizienten und des Leistungskoeffizienten ist, ist abhängig vom Volumenstrom V ., der Drehzahl N sowie dem Durchmesser D und berechnet sich nach folgender Formel:
Zu den jeweils auf Grundlage der gemessenen Drehzahl und der gemessenen Leistungsaufnahme bzw. des ermittelten statischen Drucks berechneten Druckkoeffizienten oder Leistungskoeffizienten lässt sich anhand von Referenzwerten, die bei einem geometrisch ähnlichen Gebläse gewonnen wurden und beispielsweise in Form von Kennlinien hinterlegt sind, der Volumenstromkoeffizient bestimmen. Daraus lässt sich dann relativ einfach der Volumenstrom anhand obiger Formel (3) bestimmen. Der Volumenstrom kann also mit relativ geringem Aufwand ermittelt werden. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann der Volumenstrom gegebenenfalls auch auf zwei Wegen parallel ermittelt werden, also einmal über die Messung der Leistungsaufnahme und zum anderen über die Erfassung des statischen Drucks. Um den Volumenstrom mit ausreichender Genauigkeit bestimmen zu können, sollte die Reynoldszahl ausreichend hoch sein und Einflüsse der Viskosität sollten gering sein. Dies ist in der Regel aber gegeben.
Vorzugsweise wird die Leistungsaufnahme des Gebläses aus der von einem elektrischen Gebläsemotor aufgenommenen elektrischen Leistung ermittelt, wobei ein Wirkungsgrad berücksichtig wird. Es ist mit weniger Aufwand verbunden, die elektrische Leistungsaufnahme zu erfassen, als eine mechanische Leistung des Gebläserades zu bestimmen. Dabei ist die mechanische Leistung von der elektrischen Leistung und dem Wirkungsgrad abhängig, der von einer Last und einer Motorgeschwindigkeit abhängig ist. Dieser Wirkungsgrad kann beispielsweise durch Versuche ermittelt werden und dann in einer Steuerung hinterlegt sein. Der Zusammenhang zwischen elektrischer Leistungsaufnahme und mechanischer Leistung stellt sich wie folgt da, wobei η_e den Wikrungsgrad bezeichnet, der beispielsweise von der Last und einer Motorgeschwindigkeit abhängig ist.: P_mechanical = η_e × P_electrical η_e = f_(N;Laod) (4)
Vorzugsweise wird der statische Druck in Strömungsrichtung hinter dem Gebläse ermittelt. Bei ausgeschaltetem Gebläse kann dann der aktuelle Luftdruck ermittelt werden während im Betrieb der statische Druck der Verbrennungsluft relativ genau bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird auch durch die Heizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Diese Heizeinrichtung dient zum Erwärmen eines Heizmediums, insbesondere von Heizwasser, und weist einen Brennraum auf, in den über ein Gebläse Verbrennungsluft und über eine Zuleitung Brennstoff zuführbar ist. Dabei weist die Heizeinrichtung einen Drehzahlsensor und einen Drucksensor und/oder einen Leistungssensor auf. Durch Bestimmung des Volumenstroms der Verbrennungsluft lässt sich die Verbrennung dann gut regeln. Insbesondere kann das zugeführte Volumen an Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der Menge an zugeführten Brennstoff angepasst werden. Damit wird eine optimale Verbrennung gewährleistet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Hierin zeigen in schematischer Ansicht:
1 eine Heizeinrichtung einer ersten Ausführungsform,
2 eine Heizeinrichtung einer zweiten Ausführungsform und
3 ein Diagramm mit einer Leistungskoeffizientenkennlinie und einer Druckkoeffizientenkennlinie.
In 1 ist eine Heizeinrichtung schematisch dargestellt, die ein Gebläse 1, einen Brenner, einen Wärmetauscher 3, einen Abzugskanal 4 und ein Abzugsrohr 5 aufweist. Über das Gebläse 1 wird Verbrennungsluft in einen Brennraum der Heizeinrichtung gefördert. In dem Brennraum sind auch der Brenner 2 und der Wärmetauscher 3 angeordnet. Zum Brenner 2 wird Brennstoff, wie beispielsweise ein Gas, gefördert. Dies ist jedoch nicht dargestellt. Zur Energieversorgung des Gebläses 1 weist dieses eine Versorgungsschnittstelle 1.2 auf.
Im Wärmetauscher 3 wird die im Brenner frei werdende Wärme an ein Heizmedium, wie beispielsweise Heizwasser, übertragen.
Für eine saubere und emissionsarme Verbrennung ist es erforderlich, das zugeführte Volumen an Verbrennungsluft auf die zugeführte Menge an Brennstoff abzustimmen. Ein Volumenstrom wird dabei wesentlich durch eine Drehzahl des Gebläses 1 beeinflusst. Die Drehzahl eines Gebläserades wird daher mittels eines Drehzahlsensors 1.1 erfasst, der beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet ist. Über einen Drucksensor 1.3 wird ein statischer Druck der Verbrennungsluft zwischen Gebläse 1 und Brenner 2 ermittelt.
Der Drucksensor 1.3 und der Drehzahlsensor 1.1 sind mit einer Steuerung 6 verbunden, die anhand der ermittelten Werte für eine Drehzahl des Gebläserades und des statischen Druckes einen Volumenstrom berechnet. Dafür weist die Steuerung 6 einen Speicher auf, in der Referenzwerte für einen Druckkoeffizienten, einen Leistungskoeffizienten und einen Volumenstromkoeffizienten in Form von Kennlinien hinterlegt sind. Diese Referenzwerte sind an einem Referenzgebläse ermittelt worden und sind auf Gebläse mit ähnlichen geometrischen Abmessungen übertragbar. Die Bestimmung des Volumenstromes kann also relativ einfach durch Erfassung der Drehzahl und des statischen Drucks erfolgen.
In 2 ist eine gegenüber 1 leicht abgewandelte Ausführungsform dargestellt. Gleiche und einander entsprechende Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Neben der Erfassung der Drehzahl des Gebläserades über den Drehzahlmesser 1.1 wird bei dieser Ausführungsform eine Leistungsaufnahme über einen Leistungssensor gemessen und der Steuerung 6 zur Verfügung gestellt. Dabei erfolgt eine Messung der elektrischen Leistung, die einem Motor des Gebläses 1 zugeführt wird. Anhand dieser Leistung und der Drehzahl berechnet dann die Steuerung den durch das Gebläse 1 zum Brenner 2 bzw. in den Brennraum geführten Volumenstrom.
3 ist ein Diagramm, in dem in einer ersten Kennlinie ein Druckkoeffizient H und in einer zweiten Kennlinie ein Leistungskoeffizient P jeweils über einem Volumenstromkoeffizienten F aufgetragen ist. Dabei handelt es sich um Kennlinien, die aus Referenzwerten ermittelt wurden.
Durch Erfassung der Drehzahl und des statischen Druckes ist es mit oben angegebener Formel (1) möglich, den Druckkoeffizienten zu bestimmen. Aus der Kennlinie gemäß 3 lässt sich dann der Volumenstromkoeffizient ablesen und daraus anhand obiger Formel (3) der Volumenstrom berechnen.
In entsprechender Weise lässt sich durch Erfassung der Drehzahl und der aufgenommenen Leistung mit obiger Formel (2) der Leistungskoeffizient ermitteln und anhand der Kennlinie in 3 der dazugehörige Volumenstromkoeffizient bestimmen. Daraus lässt sich mit obiger Formel (3) der Volumenstrom berechnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Heizeinrichtung ermöglichen also die Ermittlung des Volumenstroms mit geringem Aufwand. Dabei sind nur zwei Sensoren erforderlich, nämlich ein Drehzahlsensor und ein Drucksensor oder ein Drehzahlsensor und ein Leistungssensor. Im Übrigen erfolgt die Berechnung anhand von fest hinterlegten Werten und Abhängigkeiten. Damit unterliegt die Bestimmung des Volumenstroms nur einer geringen Fehlerhäufigkeit. Eine saubere, emissionsarme Verbrennung kann damit sichergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10159033 A1 [0005]
DE 19945562 A1 [0007]
DE 102005011021 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Heizeinrichtung, die einen Brennraum aufweist, in die über ein steuerbares Gebläse mit einem Gebläserad Verbrennungsluft eingebracht wird, wobei eine Drehzahl des Gebläserads erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein statischer Druck und/oder eine Leistungsaufnahme des Gebläses ermittelt wird, wobei ein Volumenstrom der Verbrennungsluft anhand der Drehzahl in Verbindung mit dem statischen Druck und/oder der Leistungsaufnahme bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzwerte für einen Druckkoeffizienten und/oder einen Leistungskoeffizienten in Abhängigkeit von einem Volumenstromkoeffizienten ermittelt werden, wobei die Referenzwerte bei der Bestimmung des Volumenstroms berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte in Form einer Druckkoeffizientenkennlinie und/oder einer Leistungskoeffizientenkennlinie hinterlegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme des Gebläses aus der von einem elektrischen Gebläsemotor aufgenommenen elektrischen Leistung ermittelt wird, wobei ein Wirkungsgrad berücksichtig wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Druck in Strömungsrichtung hinter dem Gebläse ermittelt wird.
Heizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Erwärmen eines Heizmediums, insbesondere von Heizwasser, mit einem Brennraum, in den über ein Gebläse (1) Verbrennungsluft und über eine Zuleitung Brennstoff zuführbar ist, wobei die Heizeinrichtung einen Drehzahlsensor (1.1) und einen Drucksensor (1.3) und/oder einen Leistungssensor (1.4) aufweist.