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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft für ein Heizgerät, wobei ein Brenngasmassenstrom und ein Luftmassenstrom zunächst jeweils getrennt bereitgestellt und später in einen Gesamtmassenstrom mit festgelegtem Mischungsverhältnis zusammengeführt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Regelung des Brenngas-Luft-Verhältnisses bei Heizgeräten bekannt. Neben rein pneumatischen Systemen zur Mischung von Brenngas und Luft werden heute häufig auch elektronische Regelungen unter Nutzung von Steuergeräten eingesetzt. Die Regelung der Mengen an Brenngas und Luft erfolgt beispielsweise über das in der Technik bekannte SCOT-Verfahren, bei dem die Verbrennungsregelung auf lonisationsbasis unter Berücksichtigung einer Flammensignalmessung durchgeführt wird. Dabei ist unter anderem problematisch, dass bei kleinen Leistungen das Flammensignal stark absinkt und keine zuverlässige Regelung mehr möglich ist. Zudem sind eine Kalibrierung der Ionisationskennlinie und eine Anpassung der Brennergeometrie erforderlich.
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Bei der elektronischen Regelung des Mischungsverhältnisses aus Brenngas und Luft wird beispielsweise über einen im Brenngasstrom angeordneten Sensor die Brenngasart bestimmt und daraus der Luftbedarf ermittelt. Darauf basierend wird dann die Luftmenge eingeregelt. Dabei ist nachteilig, dass alle Eingangsgrößen zur Regelung, d.h. Luftvolumenstrom, Gasvolumenstrom und Brenngaseigenschaften gemessen und überwacht werden müssen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft für ein Heizgerät bereitzustellen, das unabhängig ist von der Brenngasart und variierenden Umgebungsbedingungen oder Einbaubedingungen im Heizgerät. Ferner soll ein hoher Modulationsbereich von möglichst geringen bis möglichst hohen Brennerleistungen angepasst an den Wärmebedarf realisierbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft für ein Heizgerät vorgeschlagen, wobei das Brenngas und die Luft jeweils unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten aufweisen. Bei dem Verfahren werden ein Brenngasmassenstrom und ein Luftmassenstrom jeweils getrennt bereitgestellt und in einen Gesamtmassenstrom zusammengeführt. Zunächst wird jedoch der Luftmassenstrom vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom zumindest in einen ersten und einen zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt, wobei der zweite Luftmassenteilstrom bezüglich seiner Luftmasse um einen festgelegten Wert kleiner ist als der erste Luftmassenteilstrom. Von den Luftmassenteilströmen wird zunächst ausschließlich der geringere zweite Luftmassenteilstrom mit dem Gasmassenstrom zusammengeführt und zu einer Vormischung gemischt. Über einen Sensor werden die stofflichen Eigenschaften der Vormischung gebildet aus zweitem Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom erfasst und daraus ein Vormischungsverhältnis der Vormischung bestimmt. Aus dem Vormischungsverhältnis wird anschließend über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom berechnet und geregelt.
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Über das Verfahren wird ermöglicht, den Sensor unmittelbar mit dem Brennstoff-Luftgemisch zu beaufschlagen und die stofflichen Eigenschaften des Gemisches zu erfassen. Eine Veränderung eines der beiden Parameter Brenngasmenge oder Luftmenge wird sofort durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften erkannt und durch die Regelung ausgeglichen. Durch die Aufteilung des Luftmassenstromes kann der Sensor eine Vormischung aus dem zweitem, geringer Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom messen. Da in der Regel die Brennstoffmenge für eine saubere Verbrennung deutlich unter der erforderlichen Luftmenge liegt (z.B. Erdgas-Luftgemisch-Verhältnis 1:13, Flüssiggas-Luftgemisch-Verhältnis 1:40) würde eine Veränderung des Gasmenge sich ohne Aufteilung des Luftmassenstromes im Gesamtmassenstrom nur entsprechend des Mischungsverhältnis auf das Sensorsignal auswirken. Am Beispiel Flüssiggas-Luft würde das bedeuten, dass eine Gasmengenänderung von 10% im Gemisch von in einem Anteil von 1/40, also 0,25% des Gesamtmassenstromes ausmachen würde. Durch die Aufteilung des Luftmassenstromes und Mischung eines geringeren Teilluftmassenstromes mit dem gesamten Gasmassenstromes zur Vormischung wird der Sensor mit einer Brenngas-Luftmischung beaufschlagt, bei der Anteil an Brenngas um ein Vielfaches höher ist. Somit lässt sich über einen breiteren Modulationsbereich, insbesondere auch bei geringeren Brennerleistungen regeln.
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Bei dem Verfahren sind die stofflichen Eigenschaften der Vormischung aus zweitem Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom vorzugsweise thermische die Leitfähigkeit betreffende stoffliche Eigenschaften, vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität. Entsprechende Sensorenhardware ist in der Technik bekannt. Beispielsweise werden kalorimetrische Mikrosensoren eingesetzt, die neben der Brenngasmasse die thermische Leitfähigkeit des Brenngases erfassen können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird der zweite Luftmassenteilstrom bezüglich seiner Masse derart festgelegt, dass er dem Gasmassenstrom entspricht. Bei Erdgas als Brenngas wäre dies ein Anteil von 1/13 der Gesamtluftmasse, bei Flüssiggas als Brenngas 1/40 der Gesamtluftmasse. Die Vormischung wird dann jeweils hälftig aus Brenngas und Luft gebildet.
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In einer Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischungsverhältnis durch einen Vergleich der insbesondere die thermische Leitfähigkeit betreffenden stofflichen Eigenschaften der Vormischung mit labortechnisch ermittelten Kennlinien der entsprechenden stofflichen Eigenschaften des Brenngases und der Luft bei verschiedenen Mischungsverhältnissen bestimmt wird. Entsprechende Kennlinien können im Heizgerät, insbesondere in einem Speicher zum Abgleich bzw. der Bestimmung der stofflichen Eigenschaften durch das Steuergerät hinterlegt werden.
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Die Regelung des Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft erfolgt ebenfalls über das Steuergerät, das an dem Heizgerät den Luftmassenstrom über ein Luftstellglied und den Gasmassenstrom über ein Gasstellglied regelt. Als Gasstellglied wird vorzugsweise ein elektronisch ansteuerbares Gasregelventil, als Luftstellglied ein elektronisch ansteuerbares Gebläse verwendet.
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Neben der Regelung des Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft in Abhängigkeit der Wärmeanforderung an das Heizgerät umfasst das Verfahren auch eine Komponente zur Verbesserung des Starts des Heizgeräts, d.h. der Zündung des Brenners. Hierzu wird vorgesehen, dass beim Start des Heizgeräts das Luftstellglied über das Steuergerät auf einen Startluftmassenstrom gesteuert wird, wobei anschließend während andauernder Zündversuche des Brenners über das Gasstellglied der Brenngasmassenstrom erhöht wird, bis das gewünschte Mischungsverhältnis aus Brenngas und Luft erreicht ist und der Brenner bei dem gewünschten Mischungsverhältnis brennt. Das Erreichen des gewünschten Mischungsverhältnisses aus Brenngas und Luft wird dadurch festgestellt, dass über den Sensor geprüft wird, ob die Vormischung die festgelegten stofflichen Eigenschaften erreicht. Die Vormischung steht repräsentativ für den Gesamtmassenstrom.
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Das Verfahren umfasst ferner, dass bei Nichterreichen der festgelegten stofflichen Eigenschaften der Vormischung über das Steuergerät das Gasstellglied angesteuert und der Brenngasmassenstrom dadurch soweit verändert wird, bis die Vormischung die festgelegten die Leitfähigkeit betreffenden stofflichen Eigenschaften aufweist und mithin das gewünschte Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom erreicht ist. Das bedeutet, dass wenn sich beispielsweise im Laufe der Regelung der Mengen an Brenngas und Luft sowie des Mischungsverhältnis der beiden Gemischkomponenten durch äußere Einflussfaktoren wie einen erhöhten Gegendruck die Luftmasse für den Gesamtmassenstrom verändern, sich proportional in gleicher Weise der mit dem Gasmassenstrom vorgemischte zweite Luftmassenteilstrom verändern würde. Damit verändert sich in gleicher Weise die Zusammensetzung der Vormischung aus Brenngas und zweitem Luftmassenteilstrom, die durch die Sensormessung erfasst wird. Im Zuge der Gemischregelung passt das Steuergerät entsprechend den Brenngasmassenstrom durch Ansteuerung des Gasstellglieds an, bis die ursprüngliche Leitfähigkeit des Vorgemisches und somit das ursprüngliche Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft des Gesamtmassenstromes erreicht wird.
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Zur Realisierung der Aufteilung des Luftmassenstromes sieht das Verfahren in einer ersten Ausführungsvariante vor, dass der Luftmassenstrom über eine Düse mit einem Hauptkanal und einem Bypasskanal in einen ersten und einen zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt wird, wobei der erste Luftmassenteilstrom durch den Hauptkanal und der zweite Luftmassenteilstrom durch den Bypasskanal geführt wird. In den Bypasskanal wird auch der Brenngasmassenstrom eingeleitet, so dass die sich ergebende Vormischung durch den Bypasskanal zurück in den ersten Luftmassenteilstrom geführt wird und den Gesamtmassenstrom bildet. Der Sensor ist im Bypasskanal angeordnet und wird von der Vormischung umströmt.
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In einer alternativen Ausführungsvariante des Verfahrens wird der Luftmassenstrom über eine Venturidüse mit in Umfangsrichtung verteilten getrennten Strömungssegmenten in den ersten und zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt, wobei der erste Luftmassenteilstrom durch ein einzelnes der Strömungssegmente und der zweite Luftmassenteilstrom durch die übrigen Strömungssegmente geführt wird. Vorzugsweise weisen die Strömungssegmente jeweils einen gleich großen Strömungsquerschnitt auf.
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Die Venturidüse umfasst in einer günstigen Ausführung einen Gasanschluss zur Zuführung des Brenngasmassenstromes, der in das Strömungssegment des zweiten geringeren Luftmassenteilstroms führt, so dass die sich ergebende Vormischung innerhalb des einen Strömungssegments geführt wird. Vorzugsweise wird der Sensor innerhalb dieses Strömungssegments angeordnet, durch den die Vormischung aus dem zweitem Luftmassenteilstrom und dem Gasmassenstrom strömt.
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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:
- 1 eine schematische Darstellung zum prinzipiellen Verfahrensablauf;
- 2 das Verfahren gemäß 1 angewandt auf eine Heizgerät;
- 3 ein Venturidüse zur Aufteilung des Luftmassenstromes.
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1 zeigt beispielhaft schematisch das Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft, wobei über ein Stellglied 3 der Brenngasmassenstrom 1 und über ein Stellglied 4 der Luftmassenstrom 2 durch das Steuergerät 11 regelbar sind. Der Brenngasmassenstrom 1 und der Luftmassenstrom 2 werden zunächst getrennt voneinander zugeführt.
Der Luftmassenstrom 2 wird dann vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom 1 in einem festgelegten Größenverhältnis in den ersten Luftmassenteilstrom 7 und den zweiten Luftmassenteilstrom 6 aufgeteilt, wobei der zweite Luftmassenteilstrom 6 bezüglich seiner Luftmasse um einen festgelegten Wert kleiner ist als der erste Luftmassenteilstrom 7 und vorzugsweise der Größe des Gasmassenstroms 1 entspricht. Der Luftmassenstrom 2 wird über eine Düse 28 in einen Hauptkanal 25 und einen Bypasskanal 26 unterteilt, wobei der erste Luftmassenteilstrom 7 durch den Hauptkanal 25 und der zweite Luftmassenteilstrom 6 durch den Bypasskanal 26 strömt. Der Gasmassenstrom 1 mündet in den Bypasskanal 26 und wird mit dem zweiten Luftmassenteilstrom 6 zur Vormischung 8 vermischt. In einem Bereich des Bypasskanals 26, in dem die Vormischung 8 zum Hauptkanal 25 zurückgeführt wird, ist der Sensor S zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 angeordnet, der mit dem Steuergerät 11 signaltechnisch verbunden ist. Aus der über den Sensor S festgestellten Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 wird das Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 aus Gasmassenstrom 1 und zweitem Luftmassenteilstrom 6 bestimmt. Aus dem Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 wird über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms 7, 6 das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom 10 über das Steuergerät 11 berechnet und geregelt. Die Regelung erfolgt über die Anpassung des Stellglieds 3 des Gasmassenstrom 1 und des Stellglieds 4 des Luftmassenstroms 2.
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In 2 wird das in 1 prinzipiell dargestellte Verfahren auf ein Heizgerät 100 angewandt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bzw. Merkmale benennen. Die Brenngaszuführung erfolgt über die Gasleitung 20, die Brenngasmassenregelung über das Stellglied 3, das in Form eines über das Steuergerät 11 ansteuerbaren Schrittmotors ausgeführt ist. Die Zuführung des Luftmassenstromes wird durch das Gebläse 22 realisiert. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 27 mit ebenfalls optional angeschlossenem Krümmer 29 vorgesehen. Daran schließt sich der Brenner 31 und einem mit dem Brennergehäuse verbundenen Siphon an. Um den Brenner 28 ist der Wärmetauscher 18 angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 19. Der von dem Gebläse 22 erzeugte Luftmassenstrom wird vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom 1 in dem festgelegten Größenverhältnis in den ersten Luftmassenteilstrom 7 und den kleineren zweiten Luftmassenteilstrom 6 aufgeteilt. Der Luftmassenstrom 2 wird über die Düse 28 in dem Hauptkanal 25 und dem Bypasskanal 26 unterteilt, wobei der erste Luftmassenteilstrom 7 durch den Hauptkanal 25 und der zweite Luftmassenteilstrom 6 durch den Bypasskanal 26 strömt. Der Gasmassenstrom 1 mündet in den Bypasskanal 26 und wird mit dem zweiten Luftmassenteilstrom 6 zur Vormischung 8 vermischt. Im Bypasskanal 26 ist der Sensor S zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 angeordnet, der mit dem Steuergerät 11 signaltechnisch verbunden ist. Aus der über den Sensor S festgestellten Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 wird das Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 aus Gasmassenstrom 1 und zweitem Luftmassenteilstrom 6 bestimmt. Aus dem Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 wird über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms 7, 6 das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom 10 über das Steuergerät 11 berechnet und geregelt. Die Regelung erfolgt über die Anpassung des Stellglieds 3 des Gasmassenstrom 1 und die Drehzahl des Gebläses 22 zur Erhöhung oder Absenkung des Luftmassenstroms.
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3 zeigt eine Venturidüse 5' zur Aufteilung des Luftmassenstromes in den ersten Luftmassenteilstrom 7 und den zweiten Luftmassenteilstrom 6 als Alternative zur Düse 5 aus 1 und 2. Alle zu 1 und 2 offenbarten Merkmale gelten somit auch für die Ausführung der Düse 5 als Venturidüse 5' gemäß 3. Die Venturidüse 5' umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten getrennten Strömungssegmenten 36, 37, die jeweils einen Strömungskanal durch die Venturidüse 5' bilden. In der gezeigten Ausführung umfasst die Venturidüse acht gleich dimensionierte Strömungssegmente 36, 37, wobei in das eine Strömungssegment 36 die Zuführung des Brenngasstromes 1 erfolgt und innerhalb des Strömungskanals des Strömungssegments 36 der zweite Luftmassenteilstrom 6 mit dem Brenngasstrom 1 zur Vormischung 8 gemischt werden. Der Sensor S hat seine Messfühler ebenfalls innerhalb des Strömungssegments 36 und erfasst die Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8. Die Verarbeitung des Messergebnisses des Sensors S erfolgt in der vorstehend zu 1 und 2 beschriebenen Weise durch das Steuergerät 11. Durch die übrigen sieben Strömungssegmente 37 strömt der erste Luftmassenteilstrom 7 und wird am Venturiausgang mit der Vormischung 8 gemischt und an den Brenner (siehe 2) weitergeleitet. Die gezeigte Ausführung der Venturidüse 5' reduziert den Luftmassenanteil in der Vormischung auf 1/8 des gesamten Luftmassenstromes 2 und ermöglicht somit eine genauere Messung und Regelung über einen höheren Modulationsbereich.
