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Die Erfindung betrifft eine Drosselanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Heizgerät, ein Verfahren zur Regelung eines Gemisches, sowie eine Blendenmessstrecke.
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Strömt ein Medium durch ein Drosselelement, ist der stromabwärts des Drosselelements auftretende Druckverlust von dem Volumenstrom des Mediums abhängig. Der Druckverlust kann als Druckverlustbeiwert des Drosselelements angegeben werden.
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Unterschiedliche Anwendungen bei denen ein Zusammenhang zwischen dem Druckverlustbeiwert des Drosselelements und dem Volumenstrom genau definiert sein muss sind bekannt. Beispielsweise ist dies in gasbefeuerten Heizgeräten bei der Regelung eines Gemisches mit einem Verhältnis von Brennstoff zu Luft notwendig, wobei ein homogenes Gemisch mit vorgegebenem Verhältnis von Brennstoff zu Luft in einem Brenner verbrannt wird.
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Üblicherweise saugt ein Gebläse die Luft an. Durch eine Einschnürung, beispielsweise mittels einer Venturi-Geometrie, wird der statische Druck der Luft verringert. Im engsten Querschnitt der Venturi-Geometrie ist der statische Druck am geringsten und wird dazu genutzt, eine zum Luftstrom äquivalente Menge an Brennstoff zu fördern.
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Der prinzipielle Aufbau eines nach dem Stand der Technik arbeitenden Heizgerätes ist in 1 dargestellt. Ein Brennstoffregelventil ist mit einem Druckregler ausgestattet, der auf der Ausgangsseite des Brennstoffregelventils den Druck des Brennstoffs auf Umgebungsdruck, insbesondere auf den Druck vor der Venturi-Geometrie, entspannt. Damit stets eine adäquate Menge an Brennstoff der Luft hinzu dosiert werden kann, muss eine hierfür in der Brennstoffleitung angebrachte Hauptmengendrossel den gleichen Druckverlustbeiwert über einen Bereich verschiedener Volumenströme aufweisen, wie die Venturi-Geometrie.
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Hauptmengendrossel nach dem Stand der Technik weisen jedoch im Bereich kleiner und mittlerer Volumenströme einen Verlauf des Druckverlustbeiwertes auf, der von dem der Venturi-Geometrie abweicht. Eine Verstimmung des vorgegebenen Verhältnisses von Brennstoff zu Luft ist die Folge.
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Weiterhin zeit das Dokument
EP 0 450 173 A1 eine Vorrichtung zur Gemischregelung von Brenngas und Luft bei vormischenden Gasbrennern mit einer Zuluftleitung, einem Gasdruckregler und einem Drosselorgan im Gasstrom, wobei Gas und Luft in einen Mischraum strömen, wobei der Gasdruckregler ein Gleichdruckregler ist der vom Druck in der Zuluftleitung steuerbar ist und wobei eine Luftdrossel in der Luftzuleitung vorhanden ist, deren Druckabfall gleich groß ist wie der Druckabfall über dem Drosselorgan im Gasstrom. Nachteilig ist hierbei, dass eine derartige Konstruktion nur in einem begrenzten Modulationsbereich einsetzbar sind und zwar in dem Bereich, in dem Luft- und Gasdrossel bei gleicher prozentualer Volumenstromänderung die gleiche Druckabfalländerung bewirken.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt bei denen der Druck des Brennstoffs an der Ausgangsseite des Brennstoffregelventils um einen festen Versatz korrigiert wird. Dieser Versatz wird an dem Brennstoffregelventil eingestellt und wirkt dem Verhalten der Hauptmengendrossel entgegen. Hierdurch kann das vorgegebene Verhältnis von Brennstoff zu Luft jedoch einzig in einem kleinen Bereich von verschiedenen Volumenströmen und nur fehlerbehaftet erzeugt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine günstige und mit geringem Aufwand herzustellende Drosselanordnung zu entwickeln, die über einen großen Bereich verschiedener Volumenströme einen konstanten Druckverlustbeiwert aufweist, wobei es weiterhin Aufgabe der Erfindung ist, ein Heizgerät zu entwickeln bei dem eine Brennstoffmenge fehlersicher in einen Luftstrom zur Erzeugung eines Gemischs mit einem definierten Verhältnis aus Brennstoff und Luft hinzu dosiert werden kann, wobei es weiterhin Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren vorzuschlagen mit dem ein Heizgerät, zur Verbrennung eines Gemischs mit definiertem Verhältnis aus Brennstoff und Luft, sicher betrieben werden kann.
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Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung eine Blendenmessstrecke mit einem größeren Gültigkeitsbereich vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 6, 8 und 9 angegebenen Merkmale gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
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Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff der Venturi-Geometrie ein Bauteil verstanden, das mittels Absenkens des statischen Drucks eines Luftstroms einen Brennstoffstrom fördert und den Luftstrom und den Brennstoffstrom miteinander vereint.
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Die Erfindung sieht eine Drosselanordnung vor, umfassend wenigstens ein erstes Drosselelement und wenigstens ein zweites Drosselelement, wobei das erste Drosselelement und das zweite Drosselelement in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Drosselelement einen ersten Druckverlustbeiwert aufweist, der mit einem die Drosselanordnung durchströmenden Volumenstrom positiv korreliert ist und das zweite Drosselelement einen zweiten Druckverlustbeiwert aufweist, der mit dem die Drosselanordnung durchströmenden Volumenstrom negativ korrelierten ist. Bei einer Änderung des die Drosselanordnung durchströmenden Volumenstroms wirken das erste Drosselelement und das zweite Drosselelement mit einem jeweils entgegengesetzten Druckverlustbeiwert. Dies ermöglicht die Konfiguration eines günstigen Gesamt-Druckverlustbeiwertes der Drosselanordnung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Druckverlustbeiwert zu dem zweiten Druckverlustbeiwert verschieden ist. Hierdurch kann eine optimale Anpassung der Druckverlustbeiwerte der beiden Drosselelement, nämlich des ersten Drosselelements und des zweiten Drosselelements, aufeinander ermöglicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Drosselelement und das zweite Drosselelement derart beabstandet sind, dass die Wirkung des ersten Drosselelements und die Wirkung des zweiten Drosselelements unabhängig voneinander ausgebildet sind. Somit kann eine Beeinflussung der beiden Drosselelemente untereinander vermieden werden und eine optimale Wirkung der beiden Drosselelemente unabhängig voneinander gewährleistet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Drosselelement und das zweite Drosselelement derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Drosselanordnung einen Gesamt-Druckverlustbeiwert aufweist, der über einen Bereich verschiedener Volumenströme im Wesentlichen konstant ist.
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Ein im Wesentlichen konstanter Druckverlustbeiwert einer Drosselanordnung kann stets dann von Vorteil sein, wenn über verschiedene und die Drosselanordnung durchströmende Volumenströme ein definierter Zusammenhang zwischen dem Gesamt-Druckverlustbeiwert der Drosselanordnung und dem die Drosselanordnung durchströmenden Volumenstrom genau definiert sein muss. Dies ist beispielsweise bei der Regelung eines Gemisches mit festem Verhältnis von Brennstoff zu Luft in einem gasbefeuerten Heizgerät der Fall, da zuverlässig ein bestimmtes Verhältnis von Brennstoff zu Luft erzeugt werden kann. Bei der Anwendung in einer Blendenmessstrecke ähnlich der DIN EN ISO 5167-1:2003 beziehungsweise DIN EN ISO 5167-2:2003 kann der Gültigkeitsbereich der Blendenmessstrecke hin zu geringeren Reynolds-Zahlen und somit geringeren die Drosselanordnung durchströmenden Volumenströmen vergrößert werden.
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Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Druckverlustbeiwerte der in Reihe geschalteten Drosseln einander zumindest anteilig kompensieren, um so für verschiedene Volumenströme eine im Wesentlichen vergleichbare Gesamtcharakteristik am Druckverlust auszubilden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bereich der verschiedenen Volumenströme durch einen minimalen Volumenstrom und einen maximalen Volumenstrom begrenzt ist, wobei das Verhältnis von minimalem Volumenstrom zu maximalem Volumenstrom wenigstens dem Wert von 1:10 entspricht. Hierdurch kann ein optimaler Einsatz der Drosselanordnung über einen ausreichend großen Bereich gewährleistet werden, der beispielsweise bei einem Einsatz in einem gasbefeuerten Heizgerät notwendig sein kann.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Heizgerät zur Verbrennung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft in einem Brenner umfassend ein die Luft ansaugendes Gebläse, eine einen Luftstrom führende Luftleitung, wobei die Luftleitung eine Venturi-Geometrie umfasst, eine einen Brennstoff führende Brennstoffleitung die mittels der Venturi-Geometrie in die Luftleitung mündet, wobei die Brennstoffleitung ein Brennstoffregelventil umfasst, wobei das Brennstoffregelventil einen Druckregler zur Entspannung eines Brennstoffdrucks auf Umgebungsdruck, insbesondere auf den Druck vor der Venturi-Geometrie, umfasst, und wobei die Brennstoffleitung eine Hauptmengendrossel zum Eindosieren des Brennstoffs in den Luftstrom umfasst, wobei die Hauptmengendrossel als Drosselanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine flexible und spezifische Konfiguration des Druckverlustbeiwertes der Hauptmengendrossel zur Bildung eines homogenen Gemisches, mit vorgegebenem Verhältnis aus Brennstoff zu Luft, gewährleistet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gebläse vor der Venturi-Geometrie angeordnet ist, wobei der Druckregler den Brennstoffdruck auf den selben Wert regelt, wie den Luftdruck vor der Venturi-Geometrie. Vorteilhaft ist hierbei, dass somit sichergestellt wird, dass der Differenzdruck über der Venturi-Geometrie hinweg dem selben Wert entspricht, wie dem Wert des Differenzdrucks über die Hauptmengendrossel hinweg.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gesamt-Druckverlustbeiwert der Drosselanordnung gleich dem Druckverlustbeiwert der Venturi-Geometrie ist. Hierdurch bewirkt eine Änderung eines die Venturi-Geometrie durchströmenden Volumenstroms eine entsprechende Änderung des die Drosselanordnung durchströmenden Volumenstroms in der Brennstoffleitung. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Eindosieren einer vorgegebenen Menge an Brennstoff in die Luft zur Bildung eines Gemischs im optimalen Verhältnis von Brennstoff zu Luft gewährleistet werden kann. Somit kann ermöglicht werden, dass der Brenner stets ein optimales Gemisch verbrennt und dadurch eine optimale Heizleistung liefern kann.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Regelung eines Gemischs aus Brennstoff und Luft in einem Brenner eines gasbefeuerten Heizgeräts mit einem die Luft ansaugenden Gebläse, einer einen Luftstrom führende Luftleitung, wobei die Luftleitung eine Venturi-Geometrie umfasst, einer einen Brennstoff führende Brennstoffleitung, wobei die Brennstoffleitung mittels der Venturi-Geometrie in die Luftleitung mündet, wobei die Brennstoffleitung ein Brennstoffregelventil umfasst, wobei das Brennstoffregelventil einen Druckregler zur Entspannung eines Brennstoffdrucks auf Umgebungsdruck, insbesondere auf den Druck vor der Venturi-Geometrie, umfasst, und wobei die Brennstoffleitung eine Hauptmengendrossel, umfassend eine Drosselanordnung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, zum Eindosieren des Brennstoffs in den Luftstrom umfasst, umfassend die Schritte:
- - Ansaugen der Luft mittels des Gebläses,
- - Herabsetzen eines statischen Drucks der Luft mittels der Venturi-Geometrie,
- - Öffnen des Brennstoffregelventil zum Einlassen des Brennstoffs mit Brennstoffdruck in die Brennstoffleitung
- - Entspannen des Brennstoffdrucks mittels des Druckreglers auf Umgebungsdruck, insbesondere auf den Druck vor der Venturi-Geometrie,
- - Fördern des Brennstoffs mittels der Venturi-Geometrie,
- - Eindosieren einer Menge an Brennstoff in den Luftstrom mittels der Hauptmengendrossel.
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Hierdurch wird ermöglicht, dass stets ein optimales Gemisch aus Brennstoff und Luft über einen Bereich verschiedener Volumenströme dem Heizgerät zur Verbrennung zur Verfügung steht.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Blendenmessstrecke vorgesehen, wobei die Blendenmesstrecke eine Drosselanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst. Von Vorteil ist hierbei, dass der Gültigkeitsbereich einer Blendenmessstrecke, beispielsweise ähnlich der DIN EN ISO 5167-1:2003, oder DIN EN IS05167-2:2003, hin zu geringeren Reynolds-Zahlen und somit zu geringeren Durchflusswerten unter Beibehaltung der Richtigkeit der Messstrecke ausgedehnt werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Hierbei zeigt
- 1 einen schematischen Aufbau eines Heizgeräts nach dem Stand der Technik,
- 2 eine beispielhafte Variante zur Anordnung des ersten Drosselelements und des zweiten Drosselelements der erfindungsgemäßen Drosselanordnung,
- 3 eine weitere beispielhafte Variante zur Anordnung des ersten Drosselelements und des zweiten Drosselelements der erfindungsgemäßen Drosselanordnung, sowie
- 4 einen beispielhaften Verlauf von Druckverlustbeiwerten für einzelne, sowie in Reihe geschaltete Drosselelemente.
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1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1 mit einem Brenner 12 in dem ein Gemisch 11 aus Brennstoff 2 und Luft 3 zur Erzeugung von Wärme verbrannt wird. Ein Gebläse 4 saugt Luft 3 aus der Umgebung des Heizgeräts 1 an und erzeugt einen Luftstrom, der in einer Luftleitung 5 geführt wird. Die Luftleitung 5 umfasst eine Venturi-Geometrie 6. In die Venturi-Geometrie 6 mündet zusätzlich eine einen Brennstoff 2 führende Brennstoffleitung 7. Der unter Druck stehende Brennstoff 2 wird zunächst mittels eines einen Druckregler 9 umfassenden Brennstoffregelventils 8 auf Umgebungsdruck, insbesondere auf den Druck vor der Venturi-Geometrie, entspannt. Anschließend wird der Brennstoff 2 mittels der Venturi-Geometrie 6 von dem Luftstrom angesaugt und mit der Luft 3 zu dem Gemisch 11 aus Brennstoff 2 und Luft 3 vermischt. Das Gemisch 11 wird daraufhin in dem Brenner 12 verbrannt.
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Um ein gewünschtes Verhältnis von Brennstoff 2 zu Luft 3 zu ermöglichen befindet sich zwischen dem Brennstoffregelventil 8 und der Venturi-Geometrie 6 eine Hauptmengendrossel 10, die eine definierte Menge an Brennstoff 2 der Luft 3 zuführt. Ändert sich die Menge der in der Luftleitung 5 geführten Luft 3 auf Grund des Bedarfs an einer erhöhten oder verringerten Heizleistung des Heizgeräts 1, ändert sich auch die mittels der Venturi-Geometrie 6 angesaugte Menge an Brennstoff 2. Um dieses in einem stets definierten Verhältnis zu gewährleisten, ist die Hauptmengendrossel 10 als eine Drosselanordnung (in 3 und 4 dargestellt) ausgestaltet, wobei die Drosselanordnung (in 3 und 4 dargestellt) wenigstens ein erstes Drosselelement (in 3 und 4 dargestellt) und ein zweites Drosselelement (in 3 und 4 dargestellt) umfasst.
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2 zeigt eine mögliche Variante einer Drosselanordnung 13 umfassend ein erstes Drosselelement 14 und ein zweites Drosselelement 15. Beispielhaft ist eine Brennstoffleitung 7 mit Brennstoff 2 dargestellt. Hier ist das erste Drosselelement 14 mit einer geringen Drossellänge s1 und einem Drosseldurchmesser d1, sowie das zweite Drosselelement 15 mit großer Drossellänge s2 und einem Drosseldurchmesser d2 ausgebildet. Das erste Drosselelement 14 und das zweite Drosselelement 15 sind mit einem Abstand t1 beabstandet, wodurch sie sich gegenseitig in ihrer Wirkung nicht beeinflussen und unabhängig voneinander den Strom des Brennstoffs 2 drosseln.
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3 zeigt eine weitere mögliche Variante der Drosselanordnung 13 umfassend ein erstes Drosselelement 14 und ein zweites Drosselelement 15. Beispielhaft ist eine Brennstoffleitung 7 mit Brennstoff 2 dargestellt. Hier ist das erste Drosselelement 14 mit einer großen Drossellänge s3 und einem Drosseldurchmesser d3, sowie das zweite Drosselelement 15 mit geringen Drossellänge s4 und einem Drosseldurchmesser d4 ausgebildet. Das erste Drosselelement 14 und das zweite Drosselelement 15 sind mit einem Abstand t2 beabstandet, wodurch sie sich gegenseitig in ihrer Wirkung nicht beeinflussen und unabhängig voneinander den Strom des Brennstoffs 2 drosseln.
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4 zeigt schematisch den Kurvenverlauf von Druckverlustbeiwerten ζ in Abhängigkeit der Reynolds-Zahl Re für folgende Gegebenheiten:
- k1 beschreibt den Verlauf des Druckverlustbeiwerts ζ für ein einzelnes Drosselelement, bei dem das Verhältnis von Drossellänge zu Drosseldurchmesser kleiner Eins ist,
- k2 beschreibt den Verlauf des Druckverlustbeiwerts ζ für ein einzelnes Drosselelement, bei dem das Verhältnis von Drossellänge zu Drosseldurchmesser größer Eins ist,
- k3 beschreibt den Verlauf des Druckverlustbeiwerts ζ für ein Drosselelement, bei dem das Verhältnis von Drossellänge zu Drosseldurchmesser gleich Eins ist, und
- k4 beschreibt den Verlauf des Druckverlustbeiwerts ζ zu einem annähernd konstanten Gesamt-Druckverlustbeiwert, der sich wie folgt aus der Summe eines Druckverlustbeiwerts eines ersten Drosselelements und eines Druckverlustbeiwertes eines zweiten Drosselelements ergibt.
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Ein konstanter Gesamt-Druckverlustbeiwert, wie im Kurvenverlauf k4 dargestellt, kann erfindungsgemäß erzeugt werden, indem ein erstes Drosselelement 14 (in den 2 und 3 dargestellt) mit einem zweiten Drosselelement 15 (in den 2 und 3 dargestellt) in Reihe geschaltet wird. Das erste Drosselelement 14 (in den 2 und 3 dargestellt) muss hierbei einen ersten Druckverlustbeiwert aufweisen, der mit dem die Drosselanordnung 13 (in den 2 und 3 dargestellt) durchströmenden Volumenstrom positiv korreliert ist und das zweite Drosselelement 15 (in den 2 und 3 dargestellt) muss einen zweiten Druckverlustbeiwert aufweisen, der mit dem die Drosselanordnung 13 (in den 2 und 3 dargestellt) durchströmenden Volumenstrom negativ korrelierten ist.
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Weiterhin muss der erste Druckverlustbeiwert zu dem zweiten Druckverlustbeiwert verschieden sein.
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Zusätzlich muss das erste Drosselelement 14 (in den 2 und 3 dargestellt) und das zweite Drosselelement 15 (in den 2 und 3 gezeigt) derart beabstandet sein, dass die Wirkung des ersten Drosselelements 14 (in den 2 und 3 dargestellt) und die Wirkung des zweiten Drosselelements 15 (in den 2 und 3 gezeigt) unabhängig voneinander ausgebildet ist.
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Letztlich muss das erste Drosselelement 14 (in den 2 und 3 dargestellt) und das zweite Drosselelement 15 (in den 2 und 3 dargestellt) aufeinander abgestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Brennstoff
- 3
- Luft
- 4
- Gebläse
- 5
- Luftleitung
- 6
- Venturi-Geometrie
- 7
- Brennstoffleitung
- 8
- Brennstoffregelventil
- 9
- Druckregler
- 10
- Hauptmengendrossel
- 11
- Gemisch
- 12
- Brenner
- 13
- Drosselanordnung
- 14
- erstes Drosselelement
- 15
- zweites Drosselelement
- s1-s4
- Drossellänge
- d1-d4
- Drosseldurchmesser
- t1, t2
- Abstand
- k1-k3
- Kurven von Druckverlustbeiwerten
- k4
- Kurve eines Gesamt-Druckverlustbeiwertes
- ζ
- Druckverlustbeiwert
- Re
- Reynolds-Zahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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