DE102021003172A1 - Heizvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung mit einer Brennervorrichtung (1), einer Luftfördereinheit (2), einer Brennstofffördereinheit (3), einer Eingabeeinheit (4) und einer Steuereinheit (5). Liegt ein Sollwert für die Heizleistung oberhalb eines von einem Luftdruck abhängigen maximalen Leistungswerts, so stellt die Steuereinheit (5) die Luftfördereinheit (2) zur Förderung einer maximal förderbaren Luftmasse und die Brennstofffördereinheit (3) zur Förderung einer von der maximal förderbaren Luftmasse und einem vorgegebenen Bereich des Lambda-Werts abhängigen Brennstoffmenge ein.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, vorzugsweise für mobile Anwendungen.
• Heizvorrichtungen sind beispielsweise in Wohnwagen oder Wohnmobilen für das Erwärmen der Raumluft und/oder für das Erhitzen von Flüssigkeiten, z. B. Brauchwasser in Anwendung. Die hierfür erforderliche thermische Energie wird durch die Verbrennung eines Luftbrennstoffgemischs gewonnen. Der Brennstoff ist z. B. ein Propan-Butan-Gemisch oder Diesel. Das Größenverhältnis aus Verbrennungsluft und Brennstoff wird dabei durch den Lambda-Wert beschrieben. Für eine möglichst schadstoffarme und effektive Verbrennung findet bei Heizvorrichtungen die Verbrennung in der Regel mit einem Lambda-Wert zwischen 1,10 und 1,60 statt, sodass sich eine überstöchiometrische Verbrennung ergibt. Siehe z. B. die Offenlegungsschrift WO 2020/228979 A1 . Für mobile Anwendungen, z. B. in Wohnwagen oder Wohnmobilen ist dabei gemäß der EP 1 834 817 B1 auf die Auswirkungen des Umgebungsluftdrucks zu achten.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Heizvorrichtung vorzuschlagen, die unter eine Vielzahl von Anwendungsbedingungen, insbesondere unter sehr unterschiedlichen Luftdruckbedingungen, mit einer optimalen Verbrennung arbeitet.
• Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Heizvorrichtung zum Erwärmen von Luft und/oder zum Erhitzen einer Flüssigkeit, mit einer Brennervorrichtung, die durch Verbrennung eines Brennstoffluftgemischs thermische Energie erzeugt, mit einer Luftfördereinheit, die der Brennervorrichtung Verbrennungsluft zuführt, mit einer Brennstofffördereinheit, die der Brennervorrichtung einen Brennstoff zuführt, mit einer Eingabeeinheit, über die eine Sollleistung der Heizvorrichtung einstellbar ist, und mit einer Steuereinheit, die die Luftfördereinheit und die Brennstofffördereinheit steuert, wobei die Steuereinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie in dem Fall, dass die eingestellte Solleistung oberhalb eines von einem Luftdruck abhängigen maximalen Leistungswerts liegt, die Luftfördereinheit zur Förderung einer maximal förderbaren Luftmasse einstellt und die Brennstofffördereinheit zur Förderung einer von der maximal förderbaren Luftmasse und einem für die Verbrennung des Brennstoffluftgemisches vorgegebenen Bereichs des Lambda-Werts abhängigen Brennstoffmenge einstellt.
• Die maximal förderbare Luftmasse ist neben dem Luftdruck beispielsweise auch von Eigenschaften der Luftfördereinheit selbst, also von den technischen Gegebenheiten abhängig. In einer weiteren Ausgestaltung wird auch berücksichtigt, dass die maximal förderbare Luftmasse von der Temperatur der Verbrennungsluft abhängig ist.
• Bei der Erfindung wird berücksichtigt, dass in Abhängigkeit von dem in der Umgebung herrschenden Luftdruck - und auch den Gegebenheiten der Luftfördereinheit - eine maximal förderbare Luftmasse gegeben ist. Dabei wird die Leistung der Heizvorrichtung auf einen maximalen Wert beschränkt, um den Lambda-Wert in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Damit ergibt sich der Vorteil, dass die Verbrennung stets optimal ist. Dies ist im Sinne von Ökologie und Ökonomie und verlängert auch die Lebensdauer der Brennervorrichtung, da stets nur eine saubere Verbrennung stattfindet.
• Im Folgenden sei eine Heizvorrichtung mit einer Brennervorrichtung (auch kurz als Brenner bezeichnet) betrachtet.
• Der Brennstoffmassenstrom, der im Brenner umgesetzt wird und zu einer vorgegebenen Heizleistung P_heat-SP führen soll, kann mit Hilfe des Brennstoffheizwertes H_i sowie des Gerätewirkungsgrades η_heat berechnet werden: $${\dot{m}}_{fuel-SP}=\frac{P_{heat-SP}}{{\eta }_{heat}\cdot H_i}$$

  
• Der Brennstoff wird dem Brenner z. B. im Fall von Diesel als Brennstoff durch eine Dosierpumpe zugeführt. Bei einer mit Gas betriebenen Heizvorrichtung würde es sich beispielweise um ein Proportionalventil handeln. Da das Hubvolumen V_pump der Pumpe sowie die Brennstoffdichte ρ_fuel bekannt sind, lässt sich die Ansteuerfrequenz f_pump folgendermaßen berechnen: $${ƒ}_{pump}=\frac{{\dot{m}}_{fuel-SP}}{V_{pump}\cdot {\rho }_{fuel}}$$

  
• Für die stöchiometrische Verbrennung (A = 1) ist abhängig vom Brennstoff eine bestimmte Luftmasse (bezeichnet als stöchiometrischer Luftbedarf L_st) erforderlich. Dieser Lambda-Wert ist als Quotient aus Luftmasse und Brennstoffmasse definiert, bei dem der gesamte Brennstoff ohne übrigbleibenden Restsauerstoff oxidiert werden kann. Damit ergibt sich für den Luftbedarf: $$L_{st}=\frac{m_{air\_st\ddot{o}ch}}{m_{fuel}}$$

  
• Bei Brennern in Heizungen ist eine überstöchiometrische Verbrennung (1,10 < A < 1,60) üblich, um eine vollständige Oxidation zu garantieren. Die dafür benötigte Luftmasse ergibt sich aus: $${\dot{m}}_{air}=\lambda \cdot L_{st}\cdot {\dot{m}}_{fuel-SP}$$

  
• Für die Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses ist somit eine Angabe über die der Brennervorrichtung zugeführte Luftmasse erforderlich. Ansonsten ist die Einstellung nicht oder nur ungenau möglich. Dies kann zu erhöhten Emissionswerten schädlicher Abgasbestandteile bis hin zu einem kompletten Erlöschen des Brenners führen.
• Die Luftfördereinheit sei beispielsweise ein Gebläse. Der Luftmassenstrom eines Gebläses (CAF) lässt sich ausgehend von der Gebläseförderrate k_CAF, der Gebläsedrehzahl n_CAF und der Luftdichte ρ_air berechnen: $${\dot{m}}_{air}=k_{CAF}\cdot n_{CAF}\cdot {\rho }_{air}$$

  
• Die Gebläseförderrate k_CAF kann durch eine Vermessung des Luftvolumenstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl als Gerätegröße vermessen werden. Um für ein vorgegebenen Soll-Lambda-Wert (λ_SP) die passende Gebläsedrehzahl n_CAF einstellen zu können, muss die Dichte ρ_air der geförderten Luft bekannt sein. Hierfür wird der Luftdruck der Umgebung und vorzugsweise auch die Temperatur der Verbrennungsluft gemessen.
• Ausgehend von dem Temperaturmesswert der Verbrennungsluft CAT und dem gemessenen Luftdruck der Umgebung AMP lässt sich die Luftdichte wie folgt ermitteln: $${\rho }_{air}=\frac{AMP}{R_{air}\cdot \left(273+CAT\right)}$$

  

  R_air ist dabei die Gaskonstante.
• Die für den gewünschten Lambda-Wert erforderliche Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses lässt sich daher wie folgt ermitteln: $$n_{CAF-SP}=\frac{{\lambda }_{SP}\cdot L_{st}\cdot {\dot{m}}_{fuel-SP}}{k_{CAF}\cdot {\rho }_{air}}$$

  
• Aufgrund der Gegebenheiten des Gebläses (insbesondere des elektrischen Antriebs und des Gebläserads) kann die Drehzahl nicht beliebig erhöht werden. Es besteht eine Maximaldrehzahl n_CAF-max, wodurch sich eine maximal förderbare Luftmasse ergibt.
• Um das Verbrennungsluftverhältnis auf dem gewünschten Sollwert zu halten, wird daher der Brennstoffmassenstrom und damit die Heizleistung bei Erreichen der Maximaldrehzahl n_CAF-max begrenzt. Hierzu wird in einer Ausgestaltung eine Heizleistungsgrenze P_lim-air berechnet: $${\dot{m}}_{air-max}=k_{CAF}\cdot n_{CAF-max}\cdot {\rho }_{air}$$

  

  $$P_{\text{lim}-\text{air}}=\frac{{\dot{m}}_{air-max}\cdot {\eta }_{heat}\cdot H_i}{{\lambda }_{SP}\cdot L_{st}}$$

  
• Aus einer Benutzereingabe (z. B. die gewünschte Raumtemperatur oder die Temperatur der erhitzten Flüssigkeit) ergibt sich eine angeforderte Soll-Heizleistung P_req. Daher kann in einer Ausgestaltung die aktuell realisierbare Heizleistung P_lim unter Berücksichtigung einer gerätespezifischen maximalen Heizleistung P_max und der angeforderten Heizleistung P_req nach folgendem Schema bestimmt werden: Zunächst wird das Minimum aus der angeforderten Soll-Heizleistung P_req und der gerätespezifischen maximalen Heizleistung P_max ermittelt. Dann wird das Minimum aus dem ermittelten Wert und der durch den Luftdruck maximal möglichen Heizleistung P_lim-air ermittelt. Der Wert der zweifachen Ermittlung des Minimums ist dann die realisierbare und einzustellende Heizleitung P_lim.
• Somit wird ab einem gewissen Luftdruck bzw. ab einer gewissen Höhe, auf welcher die Heizung verwendet wird, die Heizleistung nur bis zu einem gewissen Wert erhöht. Auf diese Art kann in Abhängigkeit vom Standort der Heizvorrichtung (Höhe über Meeresspiegel, Temperatur) die Soll-Luftmasse (resultierend aus λ_SP) zur Oxidation des eingestellten Brennstoffmassenstroms bereitgestellt werden. Daher kann als Vorteil das Verbrennungsluftverhältnis unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen konstant gehalten werden. Dadurch wird der Brenner immer im optimalen Betriebsbereich gehalten und die Schadstoffe im Abgas bleiben minimal. Auch im Falle einer nötigen Limitierung der Heizleistung durch Erreichen der Maximaldrehzahl des Verbrennungsluftgebläses bleibt das Verbrennungsluftverhältnis konstant.
• Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Brennstoff in den gasförmigen Zustand überführter Diesel ist. Alternativ handelt es sich bei dem Brennstoff um ein brennbares Gas, z. B. um Propan, Butan oder um eine Propan-Butan-Mischung.
• Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Heizvorrichtung ferner einen Luftdrucksensor aufweist, dass der Luftdrucksensor einen Umgebungsluftdruck misst und dass die Steuereinheit Messdaten des Luftdrucksensors erhält. Alternativ werden Daten über den Luftdruck über die Eingabeeinheit eingegeben oder die Steuereinheit erhält - z. B. in Abhängigkeit von Positionskoordinaten - Aussagen über den Luftdruck z. B. über eine Datenverbindung mit dem Internet und einer Datenbank.
• Gemäß einer Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung ferner einen Temperatursensor auf, wobei der Temperatursensor eine Temperatur der Verbrennungsluft misst, und wobei die Steuereinheit Messdaten des Temperatursensors erhält. Die Temperaturmessung dient der Verbesserung der Bestimmung der Luftdichte und daraus der maximal förderbaren Luftmasse. Dies verbessert die Vorgabe der Brennstoffmenge für die optimale Verbrennung.
• In einer Ausgestaltung ist die Heizvorrichtung dazu ausgestaltet, Luft zu erwärmen und eine Flüssigkeit zu erhitzen. In dieser Ausgestaltung ist die Heizvorrichtung somit sowohl eine Raumheizung als auch ein Wassererhitzer.
• Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Heizvorrichtung für mobile Anwendungen ausgestaltet ist. Die Heizvorrichtung wird somit beispielsweise in Wohnwagen oder Wohnmobilien eingesetzt.
• Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Heizvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung der Heizvorrichtung.
• In der 1 sind nur die für die Erläuterung der Erfindung benötigten Komponenten schematisch dargestellt.
• In einer Brennervorrichtung 1 wird ein Luftbrennstoffgemisch verbrannt. Die dabei freiwerdende thermische Energie wird über einen - hier nicht dargestellten - Wärmetauscher auf Luft und/oder eine Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser, übertragen. Für eine möglichst schadstoffarme Verbrennung wird ein Bereich für den Lambda-Wert, also das Verhältnis zwischen Luft- und Brennstoffmenge vorgegeben. Um diesen Bereich zu erreichen, steuert die Steuereinheit 5 die Luftfördereinheit 2, bei der es sich beispielsweise um ein Gebläse handelt, und die Brennstofffördereinheit 3, bei welcher es sich beispielsweise um eine Pumpe handelt. Die Einstellung der Luft- und Brennstoffmenge ist weiterhin abhängig von einem Sollwert der Heizleistung der Heizvorrichtung, welcher sich aus einer Vorgabe eines Temperatursollwerts für die Raumluft oder des Brauchwassers durch einen Nutzer ergibt. Hierfür dient die Eingabeeinheit 4. Die Sollleistung bezieht sich beispielweise auf die Temperatur der erwärmten Raumluft oder des erhitzten Wassers. Dabei ist eine höhere Sollleistung mit einem erhöhten Bedarf an Brennstoff verbunden. Dies führt in Abhängigkeit vom Lambda-Wert wiederum zu einer erhöhten Masse an Verbrennungsluft.
• Die technischen Gegebenheiten der Luftfördereinheit 2 in Verbindung mit dem herrschenden Luftdruck führen zu einer maximal förderbaren Luftmasse. Soll der vorgegebene Lambda-Wert eingehalten werden, so ist die maximal förderbare Luftmasse mit einer maximalen Heizleistung der Heizvorrichtung verbunden. Hierauf nimmt die Steuereinheit 5 Rücksicht, indem sie bei einer vorgegebenen Solleistung, die oberhalb der maximalen Heizleistung liegt, die Luftfördereinheit 2 auf die maximal förderbare Luftmasse und die Brennstofffördereinheit 3 auf die - sich aus dem vorgegebenen Lambdawert ergebende - entsprechende Brennstoffmenge einstellt. Um die maximal förderbare Luftmasse zu ermitteln, sind hier ein Luftdrucksensor 6 sowie ein Temperaursensor 7 vorhanden, deren Messwerte der Steuereinheit 5 zugeführt werden. Der Luftdrucksensor 6 ermittelt den Luftdruck in der Umgebung. Der Temperatursensor 7 erfasst die Temperatur der Verbrennungsluft.
• Insgesamt ist die Steuereinheit 5 also derartig ausgestaltet, dass sie in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Bereich des Lambda-Werts (oder in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Lambda-Wert) und in Abhängigkeit von der eingegebenen Sollleistung die Luftfördereinheit 2 und die Brennstofffördereinheit 3 einstellt. Die Anpassung an die Sollleistung geschieht, wenn der Wert der Sollleistung unterhalb der maximalen Heizleistung ist. Die maximale Heizleistung ist dabei die Leistung der Brennervorrichtung 1, die sich unter Beachtung des Lambda-Werts und unter Beachtung der Anwendungsparameter Luftdruck und Lufttemperatur und unter Beachtung der technischen Eigenschaften der Luftfördereinheit 2 maximal erreichen lässt. In dem Fall, dass die Sollleistung größer als die maximale Heizleistung ist, werden die Luftfördereinheit 2 und die Brennstofffördereinheit 2 so eingestellt, dass die Leistung der Heizvorrichtung unter Beachtung des Lambda-Werts der maximalen Heizleistung entspricht.
• Bezugszeichenliste

1

Brennervorrichtung

2

Luftfördereinheit

3

Brennstofffördereinheit

4

Eingabeeinheit

5

Steuereinheit

6

Luftdrucksensor

7

Temperatursensor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2020228979 A1 [0002]
• EP 1834817 B1 [0002]

Claims (4)

1. Heizvorrichtung zum Erwärmen von Luft und/oder zum Erhitzen einer Flüssigkeit, mit einer Brennervorrichtung (1), die durch Verbrennung eines Brennstoffluftgemischs thermische Energie erzeugt, mit einer Luftfördereinheit (2), die der Brennervorrichtung (1) Verbrennungsluft zuführt, mit einer Brennstofffördereinheit (3), die der Brennervorrichtung (1) einen Brennstoff zuführt, mit einer Eingabeeinheit (4), über die eine Sollleistung der Heizvorrichtung einstellbar ist, und mit einer Steuereinheit (5), die die Luftfördereinheit (2) und die Brennstofffördereinheit (3) steuert, wobei die Steuereinheit (5) derartig ausgestaltet ist, dass sie in dem Fall, dass die eingestellte Solleistung oberhalb eines von einem Luftdruck abhängigen maximalen Leistungswerts liegt, die Luftfördereinheit (2) zur Förderung einer maximal förderbaren Luftmasse einstellt und die Brennstofffördereinheit (3) zur Förderung einer von der maximal förderbaren Luftmasse und einem für die Verbrennung des Brennstoffluftgemisches vorgegebenen Bereichs des Lambda-Werts abhängigen Brennstoffmenge einstellt.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizvorrichtung ferner einen Luftdrucksensor (6) aufweist, wobei der Luftdrucksensor (6) einen Umgebungsluftdruck misst, und wobei die Steuereinheit (5) Messdaten des Luftdrucksensors (6) erhält.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizvorrichtung ferner einen Temperatursensor (7) aufweist, wobei der Temperatursensor (7) eine Temperatur der Verbrennungsluft misst, und wobei die Steuereinheit (5) Messdaten des Temperatursensors (7) erhält.
4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizvorrichtung für mobile Anwendungen ausgestaltet ist.

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