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Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Gasbrenner zur Anpassung eines dem Gasbrenner zugeführten, aus einem Gasstrom und einem Luftstrom gebildeten Gas-Luft-Gemisches. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Gasheizgeräts für einen Gasbrenner mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind gattungsgemäße Regeleinrichtungen bekannt. Beispielweise offenbaren die Europäischen Patentanmeldungen
EP 2 090 827 A2 und
EP 1 746 345 A2 entsprechende Vorrichtungen. Jedoch wird hierbei in einem zwischen der Verbrennungsluftleitung und der Gasleitung vorgesehenen offenen Verbindungskanal ein Sensor angeordnet, der sowohl von der Gasströmung als auch von der Luftströmung überströmbar ist. Durch den Sensor werden Ausgleichsströmungen zwischen den beiden Leitungen erfasst. Das Gasventil wird entsprechend angesteuert, bis das System wieder im Gleichgewicht ist und keine Ausgleichsströmung über den Verbindungskanal mehr erfolgt. Der Stand der Technik nutzt dabei einen Sensor nach dem Anemometerprinzip.
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Aufgrund von Turbulenzen bei der Strömung über den Sensor schwankt das System um den Nullpunkt. Zudem unterscheidet es nicht zwischen einem Teillastbetrieb und einem Volllastbetrieb des Gasheizgeräts, da das Gasventil stets so geregelt wird, dass keine Ausgleichsströmung im Verbindungskanal vorliegt. Der Sensor liefert deshalb keine Rückmeldung zur Belastung des Gasheizgeräts.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für Gasbrenner und ein Verfahren zu deren Betrieb bereit zu stellen, die gegenüber den bekannten Verfahren derart verbessert sind, dass sich der Modulationsbereich vergrößert und zusätzliche Parameter erfassbar und weiterverarbeitbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 und Patentanspruch 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Regeleinrichtung für Gasbrenner zur Anpassung eines dem Gasbrenner zugeführten, aus einem Gasstrom und einem Luftstrom gebildeten Gas-Luft-Gemisches, mit einem Gasventil, das in einer in eine Luftleitung mündenden Gasleitung angeordnet ist, einer elektronischen Steuerungseinheit zur Steuerung einer Öffnungsstellung des Gasventils und einem Sensor, der mit der Steuerung verbunden ist und ihr Signale liefert, vorgeschlagen. Der Sensor ist in einem Überbrückungsabschnitt zwischen Luftleitung und Gasleitung angeordnet und steht einerseits mit dem Luftstrom und andererseits mit dem Gasstrom in unmittelbarer Wirkverbindung, wobei der Überbrückungsabschnitt strömungstechnisch geschlossen ist, so dass der Gasstrom und der Luftstrom im Überbrückungsabschnitt getrennt sind.
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Der geschlossene Überbrückungsabschnitt bietet den Vorteil, dass es zu keiner Strömung (Luft oder Gas) über den gesamten Sensor kommt und strömungstechnisch bedingte Schwankung verringert sind. Der Sensor erfasst unabhängig voneinander sowohl die Luftströmung als auch die Gasströmung und liefert der Steuereinheit ein Signal hierüber. Erfasst werden durch den entsprechend ausgebildeten Sensor insbesondere die Gasmenge und die Luftmenge.
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In einer Ausführungsvariante ist der Überbrückungsabschnitt durch eine Gehäusewandung geschlossen, innerhalb der der Sensor zumindest abschnittsweise angeordnet ist. Als Gehäusewandung kann beispielsweise eine Wandung des zugehörigen Venturigehäuses, des Gasgebläses oder des Gasventils dienen.
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Alternativ wird in einer alternativen Variante der Überbrückungsabschnitt durch den Sensor selbst geschlossen.
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Die Regeleinrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung und/oder der Sensor eine Feststoffwärmeleitverbindung zwischen Gasleitung und Luftleitung bildet bzw. bilden. Dies ist insbesondere für eine Ausführung vorteilhaft, bei der der Sensor einen ersten temperaturabhängigen Widerstand, einen zweiten temperaturabhängigen Widerstand und ein sowohl auf den ersten als auch den zweiten temperaturabhängigen Widerstand einwirkendes Heizmittel aufweist. Bei dieser Ausführung wird vorgesehen, dass der erste temperaturabhängige Widerstand in der Luftströmung, der zweite temperaturabhängige Widerstand in der Gasströmung und das Heizmittel außerhalb der Gasströmung und der Luftströmung angeordnet sind.
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Das Heizmittel kann selbst als Widerstand ausgebildet werden, an dem eine Spannung anlegbar ist, um eine Heizleistung zu erzeugen. Die temperaturabhängigen Widerstände sind beispielsweise PTC-Widerstände. Der Sensor kann in einer derartigen Ausführung durch einen Abgleich der Kühlung des durch das Heizmittel beheizten temperaturabhängigen Widerstands in der Luftströmung mit der Kühlung des durch das Heizmittel beheizten temperaturabhängigen Widerstands in der Gasströmung eventuelle Unterschiede der Strömungen erfassen und als Signal an die Signalsteuereinheit weiterleiten. Die Steuereinheit nutzt dieses Signal zur Einstellung des Gasventils und somit der Gasmasse, bis die beiden Widerstände die gleiche Abkühlung erfahren und mithin auf den gewünschten Wert des Luft-Gas-Gemisches. Durch die wärmetechnisch leitende Verbindung der Gehäusewandung und/oder des Sensors ist die von dem Heizmittel erzeugte Wärme auf den ersten und zweiten Widerstand übertragbar und die Abkühlung der Widerstände über die nötige Heizleistung festellbar.
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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Sensor durch eine wärmeleitfähige Platine beispielsweise aus Kupfer gebildet ist, mit der der Überbrückungsabschnitt strömungstechnisch verschließbar ist. Dabei ist eine Konstruktion günstig, bei der innerhalb der Platine das Heizmittel und auf zwei gegenüberliegenden Außenseiten der Platine die ersten und zweiten temperaturabhängigen Widerstände angeordnet sind, so dass diese jeweils in der Luft- bzw. Gasströmung liegen und wie oben beschrieben die Luft- bzw. Gasmasse durch eine Höhe der jeweiligen Abkühlung der jeweiligen temperaturabhängigen Widerstände erfassen.
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Alternativ kann der Sensor wie oben beschrieben in eine Gehäusewandung integriert werden, wobei die Wärmeübertragung zwischen Heizmittel und den beiden temperaturabhängigen Widerständen durch die entsprechende Materialwahl, beispielsweise Aluminium, sichergesellt wird.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist vorgesehen, dass der Überbrückungsabschnitt einen Gas-Bypasskanal zu der Gasleitung, in dem ein Bypassgasstrom verläuft, und einen Luft-Bypasskanal zu der Luftleitung, in dem ein Bypassluftstrom verläuft, aufweist. Der Sensor steht dabei sowohl mit dem Bypassgasstrom als auch dem Bypassluftstrom in unmittelbarer Wirkverbindung. Der erste temperaturabhängige Widerstand wird in dem Bypassluftstrom und der zweite temperaturabhängige Widerstand in dem Bypassgasstrom angeordnet. Die Bypasskanäle bieten zunächst die Möglichkeit, den Bauraum flexibel zu nutzen, da die Luftleitung und die Gasleitung nicht unbedingt angrenzend zueinander verlaufen müssen.
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Zudem kann über die Bypässe in Strömungsrichtung gesehen in der Luftleitung und der Gasleitung jeweils ein Bereich vor und hinter dem jeweiligen Bypass definiert werden. In einer Weiterbildung der Regeleinrichtung ist vorsehbar, dass in der Gasleitung und der Luftleitung jeweils mindestens eine Blende angeordnet ist, wobei der Gas-Bypasskanal und der Luft-Bypasskanal jeweils einen Bypass um die jeweilige Blende in der Gas-/Luftleitung bilden. Die Blenden erzeugen einen Druckverlust in der Gasleitung und der Luftleitung, so dass bei Volllast und Teillast des Gasheizgeräts, d. h. unterschiedlich hohen Luftmassen- und Gasmassenströmungen, unterschiedliche Druckdifferenzen vor und nach der jeweiligen Blende bestehen. Dieser Unterschied der beiden Luft- und Gasströmungen bei unterschiedlichen Belastungszuständen ist durch den Sensor erfassbar, da am Sensor die Luftleitung nicht mit der Gasleitung strömungsverbunden ist, wie es im Stand der Technik gelöst war.
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Soweit ein Sensor mit im Gas-Bypasskanal und Luft-Bypasskanal angeordneten temperaturabhängigen Widerständen und ein auf die Widerstände wärmetechnisch einwirkendes Heizmittel eingesetzt werden, kann die dem Heizmittel zugeführte Energie, beispielsweise die angelegte Spannung, erfasst und unmittelbar als Maß und Regelgröße für die Belastung des Gasheizgeräts verwendet werden.
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In einer ferner vorteilhaften Ausführungsvariante ist bei der Regeleinrichtung vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt des Gas-Bypasskanals kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des Luft-Bypasskanals. Damit wird sichergestellt, dass die Luft- und Gasströmung entlang der die jeweilige Strömung erfassenden Sensorelemente in einem Verhältnis entsprechend dem Mindestluftverhältnis von beispielsweise 1:10 (10 Teile Luft auf einen Teil Gas) realisierbar ist. Der Strömungsquerschnitt des Gas-Bypasskanals ist vorzugsweise um den Faktor 80–120 kleiner als der Strömungsquerschnitt des Luft-Bypasskanals.
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In einem günstigen Ausführungsbeispiel ist die Regeleinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitung und die Luftleitung und/oder der Gas-Bypasskanal und der Luft-Bypasskanal zumindest im Bereich des Sensors parallel verlaufen. Hierdurch wird eine optimale Anströmung erreicht. Zudem ist der nötige Bauraum gering.
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Die Erfindung umfasst zudem das Verfahren zum Betreiben eines Gasheizgeräts für einen Gasbrenner mit einer vorstehend beschriebenen Regeleinrichtung, wobei die Steuerungseinheit eine Öffnungsstellung des Gasventils in Abhängigkeit eines von dem Sensor gelieferten Signals steuert. Das Verfahren ist in einer Weiterbildung ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Heizmittel zugeführte elektrische Energie erfasst und als Maß für die Belastung des Gasheizgeräts verwendet wird. Die Belastung des Gasheizgeräts kann als Regelwert für eine gasadaptive Regelung des Gasheizgeräts weitergenutzt werden. Dies ist für verschiedene regelungstechnische Verfahren in Gasheizgeräten von großer Bedeutung, da der Energieaufwand bestimmt, kontrolliert und somit verringert werden kann. Weiterhin kann bei einer bekannten Gerätebelastung eine einfache Einbindung von gasadaptiven Regelungen erfolgen, die häufig von der Gerätebelastung abhängig sind.
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Alle offenbarten Merkmale der Regeleinrichtung sind untereinander austauschbar, soweit dies technisch möglich ist. Zudem können die für die Regeleinrichtung beschriebenen Verfahren und Abläufe in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden, auch wenn die nicht explizit nochmals für das Verfahren beschrieben ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Regeleinrichtung;
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2 eine schematische Ansicht einer Brückenschaltung des Sensors;
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3 ein Diagramm zur an dem Sensor angelegten Spannung gegenüber dem Unterschied der Massenströme.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch.
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1 zeigt einen Teil eines Gasheizgeräts mit einer Regeleinrichtung 1, das über eine Luftleitung 2 einen durch einen nicht dargestellten Lüfter erzeugten Luftstrom L fördert. Parallel hierzu verläuft die Gasleitung 3, in der das Gasventil 4 angeordnet ist und dessen Öffnungsstellung den Gasstrom G steuert. Der Strömungsquerschnitt der Luftleitung 2 ist größer als derjenige der Gasleitung 3.
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Die Regeleinrichtung 1 dient zur Anpassung des dem nicht gezeigten Gasbrenner zugeführten und aus dem Gasstrom G und einem Luftstrom L gebildeten Gas-Luft-Gemisches L/G. Die Gasleitung 3 mündet hierzu in die Luftleitung 2. Bei der Regeleinrichtung 1 ist in Strömungsrichtung gesehen vorgeschaltet ein Überbrückungsabschnitt 6 mit dem Sensor 5, der mit einer nicht gezeigten Steuerungseinheit, welche die Gasventilöffnungsstellung steuert, verbunden ist. Der Sensor 5 ist in dem Überbrückungsabschnitt 6 zwischen Luftleitung 2 und Gasleitung 3 angeordnet und steht sowohl mit dem Luftstrom L als auch mit dem Gasstrom G in unmittelbarer Wirkverbindung. Strömungstechnisch ist der Überbrückungsabschnitt 6 jedoch geschlossen, so dass Gasstrom G und Luftstrom L im Überbrückungsabschnitt 6 im Bereich des Sensors 5 getrennt bleiben.
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Der Überbrückungsabschnitt 6 wird durch die wärmeleitende Gehäusewandung 7 geschlossen. Innerhalb und an der Gehäusewandung 7 ist der Sensor 5 angeordnet, wobei der Sensor 5 einen temperaturabhängigen Widerstand RL, einen temperaturabhängigen Widerstand RG und einen auf beide Widerstände RL und RG einwirkenden Heizwiderstand RH aufweist. Nur der Heizweiderstand RH ist innerhalb der Gehäusewandung 7 und mithin außerhalb der Gasströmung G und der Luftströmung L aufgenommen. An den Heizwiderstand RH wird eine Spannung angelegt, um die Heizwirkung zu erzeugen. Der Widerstand RL ist in der Luftströmung L, der Widerstand RG in der Gasströmung G positioniert, so dass sie jeweils eine Kühlung durch die Gasströmung bzw. Luftströmung erfahren. Sowohl der Gasstrom G als auch der Luftstrom L sind im Überbrückungsabschnitt 6 in den Gas-Bypasskanal 9 zu der Gasleitung 3 bzw. den Luft-Bypasskanal 8 zu der Luftleitung 2 umgeleitet. Die Widerstände RG und RL werden deshalb jeweils durch den Bypassgasstrom bzw. den Bypassluftstrom beaufschlagt.
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Sowohl in der Gasleitung 3 als auch der Luftleitung 2 sind Druckverlust erzeugende Blenden 10, 11 vorgesehen. Der Gas-Bypasskanal 9 verläuft in Strömungsrichtung gesehen um die Blende 10, der Luft-Bypasskanal 8 um die Blende 11. Der Luft- und Gasstrom sind lastabhängig höher oder niedriger, wobei bei Teillast, d. h. bei vergleichsweise geringen Strömungsmassen der Druckunterschied in Strömungsrichtung gesehen vor und nach den Blenden 10, 11 geringer ist als bei Volllast, d. h. vergleichsweise hohen Strömungsmassen. Die Höhe der Signalspannung U0 am Heizwiderstand RH ist abhängig von der jeweiligen Last/Belastung und bestimmt somit eine weiterverwertbare Regelgröße für die Regelung des Gasheizgeräts.
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Wenn auch nicht eindeutig erkennbar ist vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt des Gas-Bypasskanals 9 kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des Luft-Bypasskanals 8. Die Bypasskanäle 8, 9 verlaufen im Bereich des Sensors 5 parallel.
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In 2 ist eine zur Ansteuerung und Auswertung des Sensors 5 einsetzbare Brückenschaltung mit Widerständen und einem Heizmittel dargestellt. An der Brücke wird eine konstante Spannung UIN+ und UIN– zum Einstellen des Betriebspunktes der Brücke angelegt. Der Heizwiderstand RH wird mit der Spannung UH+ und UH– versorgt. R1 und R2 sind von der Temperatur nicht abhängige Widerstände zum Einstellen des Arbeitspunktes.
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3 zeigt beispielhaft ein Diagramm der Brückenspannung U0 des Sensors 5 gegenüber der Differenz der Massenströme von Luft ϕL und Gas ϕG. Die Brückenspannung U0 wird gebildet aus der Differenz von UOut+ und Uout– (siehe 2). Die Steuerung des Gasventils 4 erfolgt so, dass die Spannung U0 des Sensors 5 im Wesentlichen bei dem Wert 0 liegt. Bei unterschiedlichen Lastzuständen kann aus der resultierenden Spannungsdifferenz die Belastung des Gasheizgeräts bestimmt werden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise wird die Regeleinrichtung in bekannte Gasheizgeräte integriert, deren Belastung über die Lüfterdrehzahl und die entsprechend zugeführte Gasmenge geregelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2090827 A2 [0002]
- EP 1746345 A2 [0002]
