-
Die Erfindung betrifft ein Hauptmengenventil zur zweistufigen Einstellung einer Hauptmenge eines zu einem Brenner strömenden Gases. Alternativ kann das Hauptmengenventil auch als zweistufig einstellbare Hauptmengendrossel bezeichnet werden. Solche Hauptmengenventile bzw. Hauptmengendrosseln werden insbesondere für die Einstellung der Hauptmenge eines zu einem Brenner strömenden Gases verstanden und finden insbesondere in Gas- bzw. Heizthermen Anwendung.
-
Im Stand der Technik sind Hauptmengendrosseln und auch einstellbare Hauptmengendrosseln grundsätzlich bekannt.
-
Als Hauptmenge wird dabei ein maximaler zu einem Brenner strömender Massenstrom eines Brenngases verstanden. Der Massenstrom des Brenngases wird in Heizthermen zusätzlich von einem Regelventil auf einen exakten Wert eingeregelt. Das Brenngas wird im Weiteren vereinfacht als Gas bezeichnet.
-
So lehrt die
EP 2 466 202 B1 den grundlegenden Aufbau einer Heiztherme, bei welcher Gas und Luft getrennt voneinander in einen Mischbereich bzw. in eine Mischvorrichtung strömen und zu einem Gas-Luft-Gemisch vermischt werden. Der Massenstrom des in die Mischvorrichtung strömenden Gases, welcher mithin das Verhältnis von Gas und Luft in dem Gemisch bestimmt, wird dabei von einer nicht verstellbaren Hauptmengendrossel und einem stromauf der Hauptmengendrossel angeordneten Regelventil bestimmt. Hierbei ist die Hauptmengendrossel nicht oder nur im Rahmen einer Wartung austausch- und dadurch einstellbar. Entsprechend kann die Hauptmengendrossel und die von ihr bestimmten Eigenschaften, beispielsweise bei Änderung des Gases oder der Zusammensetzung des Gases sowie für verschiedene Betriebszustände, nicht geändert werden.
-
Weiter lehrt die
WO 2021/078949 A1 ein Verfahren zum Starten eines Gasbrenners, bei welchem ein als Drosselelement bezeichenbares Element zur teilweisen Blockierung der Gasströmung stromab des Regelventils in dem von dem Regelventil in die Mischeinrichtung führenden Strömungskanal angeordnet werden kann. Dabei wird jedoch gelehrt, dass das Drosselelement eine Vielzahl von Stellungen aufweisen kann, sodass der Aktor zur Verstellung des Elements, eine Messelektronik zur Ermittlung der genauen Stellung des Drosselelements und eine zugehörige Steuerungselektronik vergleichsweise teuer, aufwändig und fehleranfällig ist.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und ein einfach aufgebautes und fehlersicheres Hauptmengenventil sowie ein zugehöriges Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird daher ein Hauptmengenventil zur zweistufigen Einstellung einer Hauptmenge eines zu einem Brenner strömenden Gases vorgeschlagen. Das Hauptmengenventil kann auch als einstellbare Hauptmengendrossel bezeichnet werden. Bei dem Gas kann es sich beispielsweise um Wasserstoff, Erdgas oder Flüssiggas oder Mischungen hieraus handeln. Erfindungsgemäß weist das Hauptmengenventil einen Strömungskanal, einen Aktor und ein von dem Aktor in dem Strömungskanal zwischen genau zwei Stellungen bewegbares Drosselelement auf. Als Stellungen werden dabei die stabilen Stellungen verstanden, in welchen das Drosselelement dauerhaft positioniert werden kann. Entsprechend werden instabile Zwischenpositionen, welche das Drosselelement bei der Bewegung zwischen der ersten und der zweiten Stellung passiert, nicht als solche verstanden. Das Drosselelement bestimmt in einer ersten Stellung der genau zwei Stellungen in dem Strömungskanal und angrenzend an das bzw. bei dem Drosselelement eine erste durchströmbare Querschnittsfläche des Strömungskanals. In einer zweiten Stellung der genau zwei Stellungen bestimmt das Drosselelement analog dazu eine zweite durchströmbare Querschnittsfläche, welche größer ist als die erste Querschnittsfläche.
-
Als Querschnittsfläche wird jeweils der von Gas durchströmbare Querschnitt bzw. dessen Fläche in dem Strömungskanal verstanden. In einem ersten Betriebszustand, in welchem das Drosselelement in der ersten Stellung positioniert ist, ist der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche des Strömungskanals also gegenüber einem zweiten Betriebszustand, in welchem das Drosselelement in der zweiten Stellung angeordnet ist, reduziert. Entsprechend ist in dem ersten Betriebszustand eine geringe Fläche durchströmbar und es kann im Vergleich zum zweiten Betriebszustand eine geringere Menge von Gas (Hauptmenge) durch den Strömungskanal fließen.
-
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Hauptmengenventil ferner einen in dem Strömungskanal angrenzend zu dem Drosselelement anordenbaren bzw. angeordneten Strömungseinsatz aufweist. Der Strömungseinsatz teilt den Strömungskanal in zumindest zwei getrennt voneinander durchströmbare Abschnitte. Ein erster Abschnitt der zumindest zwei Abschnitte wird von dem Drosselelement, wenn sich das Drosselelement in seiner ersten Stellung befindet, verschlossen. Ist das Drosselelement in seiner zweiten Stellung angeordnet, ist der erste Abschnitt freigegeben und mithin durchströmbar.
-
Befindet sich das Drosselelement in seiner ersten Stellung, verschließt dieses den ersten Abschnitt vorzugsweise vollständig, sodass nur noch die verbleibenden Abschnitte des Strömungskanals von Gas durchströmbar sind.
-
Der Strömungseinsatz weist vorzugsweise Trennwände auf, welche die getrennt voneinander durchströmbaren Abschnitte trennen, sodass also in dem Strömungseinsatz je Abschnitt ein gesonderter Strömungspfad definiert ist.
-
Besonders vorteilhaft ist eine Variante, bei welcher der Strömungseinsatz an dem ersten Abschnitt eine zu dem Drosselelement korrespondierende Form aufweist. Analog dazu ist das Drosselelement ausgebildet, in seiner ersten Stellung flächig an dem Strömungseinsatz, den ersten Abschnitt verschließend anzuliegen. Dadurch bildet der Strömungseinsatz im Bereich des ersten Abschnitts einen Sitz für das Drosselelement, sodass diese dicht aneinander anliegen können.
-
Hierfür kann das Drosselelement beispielsweise konvex und der dazu korrespondierende Bereich des Strömungseinsatzes konkav ausgebildet sein. Es sind jedoch auch weitere Formen denkbar. Beispielsweise könnte das Drosselelement auch kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein.
-
Zudem kann am Drosselelement und/oder am Strömungseinsatz bzw. an dem zu dem Drosselelement korrespondierenden Bereich des Strömungseinsatzes ein Dichtelement vorgesehen sein, um eine Leckage in der ersten Stellung zu reduzieren, in welcher der erste Abschnitt durch das Drosselelement verschlossen wird. Das Dichtelement ist insbesondere reversibel deformierbar und beispielsweise ein Elastomer.
-
Der Strömungseinsatz kann als eine Düse ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Strömungseinsatz stromabwärts bzw. ausströmseitig auch zumindest eine Düse und insbesondere eine Düse je Abschnitt aufweisen oder integral ausbilden.
-
Die so gebildete Düse kann auch insbesondere zum Eindüsen des Gases in die Mischvorrichtung dienen.
-
Der Strömungseinsatz kann zudem den Ventilausgang des Hauptmengenventils bilden. Entsprechend ist der Strömungseinsatz besonders einfach in den Strömungskanal einschiebbar. Zudem kann der Strömungseinsatz ein stirnseitiges Ende des Strömungskanals abschließen.
-
Um sicherzustellen, dass der Strömungseinsatz und insbesondere der erste Abschnitt bzw. der von diesem gebildete Sitz für das Drosselelement die korrekte und vorbestimmte Orientierungen zu dem Drosselelement hat und mit diesem dicht abschließen kann, sieht eine weitere besonders vorteilhafte Ausführung vor, dass der Strömungskanal ein Kodierelement und der Strömungseinsatz ein dazu korrespondierendes Gegenelement aufweist. Das Kodierelement kann zusammen mit dem Gegenelement sowohl die Ausrichtung um die Längsachse als auch die Position entlang der Längsachse bestimmen, sodass der Strömungseinsatz ausschließlich in einer durch das Kodierelement vorbestimmten Orientierung zu dem Drosselelement in dem Strömungskanal anordenbar ist, in welcher das Drosselelement in seiner ersten Stellung den ersten Abschnitt abdichtend an dem Strömungseinsatz anliegen kann.
-
Zusätzlich kann es am Strömungseinsatz ein zweites bzw. weiteres Kodierelement in gegenseitiger Richtung geben, welches ausgebildet ist, eine korrekte Paarung des Gasventils bzw. des Hauptmengenventils mit einer für das Gasventil bzw. für das Hauptmengenventil passenden und Mischvorrichtung festzulegen. Die Mischvorrichtung kann ein dazu korrespondierendes Gegenelement aufweisen, welches ausgebildet ist, nur mit einem bestimmten Typ von Hauptmengenventil bzw. Gasventil gepaart zu werden. Durch eine solche eindeutige Kombination zwischen dem weiteren Kodierelement des Strömungseinsatzes und dem dazu korrespondierenden Gegenelement der Mischvorrichtung kann sichergestellt werden, dass immer der richtige Strömungseinsatz mit dem richtigen Mischer (Venturi) verwendet wird.
-
Um auch ein dichtes Anliegen und mithin kein ungewolltes Austreten des Gases an dem Strömungseinsatz vorbei zu begünstigen, ist zudem vorzugsweise vorgesehen, dass der Strömungseinsatz als eine in den Strömungskanal einschiebbare Hülse ausgebildet ist, deren Außenmantel zylindrisch und/oder kegelstumpfförmig ist.
-
Der Strömungseinsatz kann zudem stromaufwärts ein sich in den Strömungskanal erstreckendes Leitelement aufweisen, welches beispielsweise nasen- oder rampenförmig ausgebildet sein kann. Das ermöglicht die Montage des Strömungseinsatzes in den Ausgang des Gasventils zum Beispiel bereits in der Fertigung des Gasgeräts bzw. der Heiztherme, wodurch das Gasventil universell für verschiedene Leistungsgrössen, Gasarten und Zündabläufe einsetzbar ist.
-
Vorzugsweise weist das Hauptmengenventil zudem eine Rückstellfeder auf, durch welche das Drosselelement mit einer Federkraft beaufschlagt und in die erste Stellung federrückgestellt ist. Mithin ist das Hauptmengenventil monostabil ausgebildet. Wird der Aktor also nicht aktiv betätigt, wird das Drosselelement von der Feder in die erste Stellung bewegt. Dadurch wird einerseits die Steuerung vereinfacht, da das Hauptmengenventil bzw. dessen Aktor entweder betätigt und das Drosselelement in die zweite Stellung bewegt ist oder nicht, sodass das Drosselelement in der ersten Stellung angeordnet ist. Zugleich wird dadurch auch die Sicherheit erhöht, da das Hauptmengenventil bei einem Defekt des Aktors oder beispielsweise bei Stromausfall automatisch in die erste Stellung bewegt wird, in welcher ein entstehendes Gas-Luft-Gemisch einen kleineren Gasanteil aufweist und somit magerer ist.
-
Als Aktor kann ein magnetisch betätigter Aktor vorgesehen sein. Ein solcher Aktor weist eine Spule und einen mit dem Drosselelement verbundenen oder integral mit dem Drosselelement ausgebildeten Magnetanker auf. Wird die Spule bestromt, wird der Magnetanker zusammen mit dem Drosselelement insbesondere auch entgegen der Federkraft der Rückstellfeder von der ersten in die zweite Stellung bewegt.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Gasventil zur Regelung eines zu einem Gasbrenner strömenden Massenstroms. Das Gasventil weist ein Regelventil zur Regelung des Massenstroms sowie ein stromab des Regelventils angeordnetes erfindungsgemäßes Hauptmengenventil auf. Das Regelventil und das Hauptmengenventil weisen dabei ein gemeinsames und insbesondere einteiliges oder einstückiges Gehäuse auf.
-
Das Regelventil kann beispielsweise elektrisch oder pneumatisch betätigt sein.
-
Zudem betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur optimierten Zündung eines Gasbrenners mit einem erfindungsgemäßen Gasventil oder einem erfindungsgemäßen Hauptmengenventil. Das Hauptmengenventil ist stromauf einer Mischeinrichtung angeordnet, in welcher ein durch das Hauptmengenventil einströmendes Gas und eine separat davon einströmende Luft zu einem Gas-Luft-Gemisch gemischt werden. Zur Zündung und anschließenden Verbrennung strömt das Gas-Luft-Gemisch zu einem Brenner stromab der Mischvorrichtung. Das Drosselelement wird für eine magere Zündung des Gas-Luft-Gemisches in die erste Stellung bewegt bzw. dort belassen und nach der Zündung für die Verbrennung in die zweite Stellung bewegt, sodass das Gas-Luft-Gemisch nach der Zündung fetter wird. Soll das Gas-Luft-Gemisch davon abweichend nicht mager sondern fett gezündet werden, wird das Drosselelement für eine fette Zündung des Gas-Luft-Gemisches in die zweite Stellung bewegt bzw. dort belassen und nach der Zündung für die Verbrennung in die erste Stellung bewegt.
-
Ob das Gas-Luft-Gemisch fett oder mager gezündet werden soll, ist insbesondere von dem verwendeten Gas abhängig und wird entsprechend von dem verwendeten Gas gewählt. Wird Wasserstoff als Gas verwendet, ist die Zündung vorzugsweise mager und die anschließende Verbrennung fett.
-
Wird Erd- oder Flüssiggas als Gas verwendet, ist die Zündung vorzugsweise fett und die Verbrennung mager.
-
Fett und mager ist vorliegend jeweils in Relation zueinander zu verstehen.
-
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
-
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:
- 1a Längsschnitt durch ein Gasventil mit seinem Drosselelement in seiner ersten Stellung;
- 1b Längsschnitt durch das Gasventil mit seinem Drosselelement in seiner zweiten Stellung;
- 2a Längsschnitt durch ein Hauptmengenventil mit seinem Drosselelement in seiner ersten Stellung;
- 2b Querschnitt durch das Hauptmengenventil mit seinem Drosselelement in seiner ersten Stellung;
- 2c Längsschnitt durch ein Hauptmengenventil mit seinem Drosselelement in seiner zweiten Stellung;
- 2d Querschnitt durch das Hauptmengenventil mit seinem Drosselelement in seiner zweiten Stellung;
- 3a Seitenansicht auf einen Strömungseinsatz;
- 3b perspektivische Ansicht des Strömungseinsatzes.
-
Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
-
Die 1 bis 3 können zu einem einzigen Gasventil 3 gehören. Insbesondere die 2 und 3 können jedoch auch zu einem einzelnen Hauptmengenventil 1 ohne ein Regelventil 4 gehören.
-
Da das Hauptmengenventil 1 jeweils baugleich ist, gilt die nachfolgende diesbezügliche Beschreibung für jede der 1 bis 3. Zur Verbesserung der Übersicht, ist nicht jedes Bezugszeichen in jeder Figur verwendet.
-
Dennoch sind die zugehörigen Merkmale betreffend das Hauptmengenventil 1 bzw. des Strömungseinsatzes 40 in jeder Figur verwirklicht.
-
In 1a ist ein pneumatisches Regelventil 4 und ein in Strömungsrichtung nachgeschaltetes Hauptmengenventil 1 abgebildet. Das Regelventil 4 und das Hauptmengenventil 1 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 5 zu einem Gasventil 3 integriert. Das stromab des Regelventils 4 angeordnete Hauptmengenventil 1 hat zur Einstellung der Hauptmenge des Gases eine Spule 22, einen Magnetanker 23 und eine Rückstellfeder 21, welche das Drosselelement 30 in dem Strömungskanal 10 bewegen.
-
In dem Strömungskanal 10 ist ein Strömungseinsatz 40 angeordnet, welcher zugleich als Düse wirkt und dadurch als erweiterte Gasdüse bezeichnet werden kann. Der Strömungseinsatz 40 ist in den Strömungskanal 10 eingeschoben und bildet den Ventilausgang (2) des Hauptmengenventils 1 bzw. des Gasventils 3.
-
Der Strömungseinsatz 40 weist vorliegend drei durch je eine Trennwand voneinander getrennte Kanäle auf und teilt den Strömungskanal 10 dadurch in drei voneinander separate Abschnitte 11, 12, 13, sodass das Gas im Bereich des Strömungseinsatzes 40 in drei einzelne voneinander getrennte Ströme geteilt wird, welche jeweils durch einen der Abschnitte 11, 12, 13 strömen.
-
Ist die Spule 22, wie in 1a, nicht betätigt d.h. nicht bestromt, wird das Drosselelement 30 von der Rückstellfeder 21 weiter in den Strömungskanal 10 hinein in die erste Stellung gedrückt. Wie dargestellt, liegt das Drosselelement 10 in der ersten Stellung an dem Strömungseinsatz 10 an und dichtet den ersten Abschnitt 11 ab, sodass das Gas nur noch durch den zweiten Abschnitt 12 und den dritten Abschnitt 13 strömen kann. Der durchströmbare Querschnitt des Strömungskanals 30 ist dann also um die Fläche des ersten Abschnitts 11 auf die Flächen des zweiten und dritten Abschnitts 12, 13 reduziert.
-
In 2a ist die Spule 22 betätigt bzw. bestromt, sodass der Magnetanker 23 und das daran fixierte Drosselelement 30 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 21 weiter aus dem Strömungskanal 10 heraus und in die zweite Stellung bewegt sind. Dadurch ist der erste Abschnitt 11 geöffnet bzw. freigegeben, sodass das Gas auch durch den ersten Abschnitt 11 strömen kann. Der durchströmbare Querschnitt des Strömungskanals 10 ist entsprechend größer als mit dem Drosselelement 30 in der ersten Stellung.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Betätigung der Spule bzw. die Stellung des Drosselelements 30 in Abhängigkeit des verwendeten Gases gewählt werden.
-
Wird als Gas zum Beispiel 100% Wasserstoff verwendet, muss dieses im Vergleich zum späteren Betrieb d.h. im Vergleich zur nach der Zündung folgenden Verbrennung, vergleichsweise mager gezündet werden. Entsprechend ist beim Zünden des stromab des Hauptmengenventils 1 angeordneten Brenners die Spule 22 nicht betätigt und das Drosselelement 30 in der ersten Stellung. Nach erfolgreicher Zündung wird die Spule 22 dann betätigt, das Drosselelement 30 in die zweite Stellung bewegt und die Verbrennung im Vergleich zur Zündung relativ fett.
-
In einer anderen Anwendung, bei welcher zum Beispiel Erdgas oder Flüssiggas als Gas verwendet wird, ist beim Zünden die Spule 22 betätigt und das Drosselelement 30 in der zweiten Stellung. Entsprechend wird mehr Gas in das Gas-Luft-Gemisch gemengt, sodass dieses im Vergleich zu der nachfolgenden Verbrennung relativ fett ist. Nach dem Zünden wird die Spule 22 nicht mehr betätigt und ist das Gas-Luft-Gemisch wird magerer.
-
Die Auslegung der des Strömungseinsatzes 40 und insbesondere die Querschnittsform und Fläche der von dem Strömungseinsatz 40 bestimmten Abschnitte 11, 12, 13 kann auf den Brenner, die Heiztherme oder allgemein dem Gasgerät, mit welchem das Hauptmengenventil verwendet wird, angepasst sein, sodass ein gewünschtes Gas-Luft-Verhältnis des Gemisches vor und nach dem Zünden erreicht werden kann.
-
Wie in den 1a, 1b, 2a und 2c gezeigt, ist der Strömungseinsatz 40 von einem stirnseitigen Ende des Strömungskanals 10 in diesen eingeschoben. Dabei bildet der Strömungseinsatz 40 einen umlaufenden Kragen, mit welchem dieser an dem den Strömungskanal 10 bestimmenden Gehäuse 5 anliegt. Durch eine Hülse ist der Strömungseinsatz 40 mit dem Gehäuse 5 verschraubt und dadurch daran fixiert.
-
Um gewährleisten zu können, dass der erste Abschnitt 11 die korrekte Position relativ zu dem Drosselelement aufweist, ist in dem Strömungskanal 10 ein Rücksprung als Kodierelement 15 vorgesehen, in welchen ein an dem Strömungseinsatz 40 ausgebildete Nase bzw. Vorsprung als Gegenelement 45 einschiebbar ist. Durch das Zusammenwirken von Kodierelement 15 und Gegenelement 45 ist die Orientierung des Strömungseinsatzes 40 um die Längsachse des Strömungseinsatzes 40 sowie auch die Position in dem Strömungskanal 10 entlang der Längsachse festgelegt.
-
Am stromaufwärtigen Endabschnitt des Strömungseinsatzes 40 erstreckt sich zudem ein nasen- bzw. rampenartiges Leitelement 46 entgegen der Strömungsrichtung in den Strömungskanal 10 hinein. Das ermöglicht die Montage des Strömungseinsatzes 40 in den Ausgang des Gasventils 3 zum Beispiel bereits in der Fertigung des Gasgeräts bzw. der Heiztherme, wodurch das Gasventil 3 universell für verschiedene Leistungsgrössen, Gasarten und Zündabläufe einsetzbar ist.
-
Insbesondere in 3a sind zudem je Abschnitt 11, 12 ,13 eine Düse 41, 42, 43 zu erkennen, welche an dem stromabwärtigen Ende der Abschnitte 11, 12, 13 gebildet sind und durch welche das Gas unmittelbar in eine gegebenenfalls nachfolgende Mischvorrichtung einspritzbar ist.
-
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.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2466202 B1 [0004]
- WO 2021/078949 A1 [0005]
