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Die
Erfindung betrifft eine Gasmischvorrichtung für einen Gasbrenner nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren
zum Betreiben der Gasmischvorrichtung nach Anspruch 1.
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Stand der
Technik
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Solche
Gasmischvorrichtungen dienen der Aufbereitung des Gas-Luft-Gemisches
beispielsweise für
Brennwertgeräte.
Dabei werden die Volumenströme
von Brenngas und Verbrennungsluft in dem Mischraum zusammengeführt und
mittels des Gebläses
dem Brenner zugeführt.
Die Brennerleistung wird durch die vom Gebläse geförderte Luftmenge bestimmt.
Diese erzeugt durch eine Engstelle an der Lufteintrittsöffnung in
dem Mischraum einen Unterdruck, der dazu ausgenutzt wird, den Volumenstrom des
Brenngases dadurch zu regeln, dass dieses mittels eines Druckreglers
in der Gasarmatur auf Umgebungsdruck gehalten wird und danach eine
geeignet dimensionierte Engstelle passiert.
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Das
Verhältnis
von Druckdifferenz und Volumenstrom an einer Engstelle hat einen
parabelförmigen
Verlauf. Zur Erzielung eines Modulationsverhältnisses von 10 zwischen kleinster
und größter bereitgestellter
Brennerleistung muss daher die Druckdifferenz um den Faktor 100
variiert werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Gasmischvorrichtung, die
hohe Kosten zur Folge haben.
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Aus
DE 197 49 510 A1 ist
eine Gemischvorrichtung für
einen Gasbrenner bekannt, bei der in eine einem Brenner vorgeschaltete
Mischkammer ein Gaszufuhrkanal und ein Luftzufuhrkanal münden. Sowohl
im Gaszufuhrkanal als auch im Luftzufuhrkanal ist eine Drossel ausgebildet,
die gleichzeitig als Linearisierungselement zur Erzeugung einer
laminaren Strömung
der Luft und des Brenngases dient.
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Ein
Brenner zur Verbrennung von flüssigen und/oder
gasförmigen
Brennstoffen ist aus
DE
199 21 045 A1 bekannt, bei dem das Brennstoff-Luftgemisch
dem Brenner mittels eines Gebläses
unter Gebläsedruck über eine
Stau- und Wirbelscheibe zugeführt
wird. In dem dem Gebläse
nachgeschalteten Luftzufuhrkanal ist eine Luftklappe angeordnet,
die in ihrer die Luft drosselnden Stellung auf die Drehzahl des
Gebläses
eingestellt wird.
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Aus
DE 199 06 935 A1 ist
ein Gasbrenner sowie ein Verfahren zum Betreiben des Gasbrenner bekannt,
bei dem zur Vergrößerung des
Modulationsbereiches die dem Brenner zugeführte Menge des Brennstoff-Luftgemischs
außer
von der Drehzahl eines Gebläses
von einer im Luftansaugkanal angeordneten, verstellbaren Strömungsblende
abhängig ist.
Schließlich
geht aus
DE 40 39 676
C1 eine Zugbegrenzungseinrichtung für den Abgasweg eines Heizgerätes hervor,
bei der eine Klappe zur Zugbegrenzung vorgesehen ist, die mit eine
Bremseinrichtung versehen ist, wobei die Bremseinrichtung die Bewegung
der Klappe bei steigender Bewegungsgeschwindigkeit der Klappe mit
steigender Bremskraft bremst.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Gasmischvorrichtung und ein Verfahren
zum Betreiben derselben zu schaffen, mit der ein hohes Modulationsverhältnis bei
niedrigen Kosten erreicht werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine
geringere Anfälligkeit
gegenüber
Verschmutzungen aus der Umgebungsluft wird erreicht, indem das weitere
Linearisierungselement als Lufteintrittsöffnung mit dahinter angebrachtem
Steuerelement ausgebildet ist. Dadurch, dass das Steuerelement als
dauerelastische Zunge ausgebildet ist, wird ein Vorrichtung erzielt,
die einfach im Aufbau, unempfindlich gegen Verschmutzung und kostengünstig in
der Herstellung ist. Die Komponenten der Gasmischvorrichtung müssen somit
geringere Anforderungen erfüllen
und können kostengünstig ausgeführt werden.
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Zweckmäßig ist
es, wenn die dauerelastische Zunge mittels eines Abstandshalters
an dem Mischraum in Richtung der Luftströmung hinter der Lufteintrittsöffnung angeordnet
ist.
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Wird
das Linearisierungselement in der Gaszuleitung als laminares Flow-Element
ausgebildet, wird über
einen großen
Bereich des Differenzdruckes ein linearere Zusammenhang zum Volumenstrom
erreicht.
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Eine
gute Beständigkeit
gegen Veränderungen
des Gas-Luftgemisches durch Alterung von Komponenten der Gasmischvorrichtung
wird erreicht, indem die dauerelastischen Zunge aus dünnem Blech,
vorzugsweise aus Federstahl ausgebildet ist.
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Eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ausführungsform
sieht vor, dass die dauerelastische Zunge mit einer aktiven Komponente
in Wirkverbindung steht. Hierdurch kann das Mischungsverhältnis des
Gas-Luft-Gemisches gezielt angepasst werden.
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Eine
besonders einfach anzusteuernde Ausführungsform der variablen Gasmischvorrichtung wird
dadurch bereitgestellt, dass an der dauerelastischen Zunge ein Dauermagnet
angebracht ist, der in Wirkverbindung mit einem Elektromagneten
steht.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass
die Linearisierung des Verhältnisses
von Druck und Volumenstrom am weiteren Linearisierungselement erfolgt,
indem sich die dauerelastischen Zunge bei zunehmender Strömung derart
biegt, dass sich der Querschnitt der Lufteintrittsöffnung vergrößert, wobei
ein besonders großes
Modulationsverhältnis
bei konstanter Gemischaufbereitung dadurch erzielt wird, dass die
Linearisierung des Verhältnisses
von Druck und Volumenstrom am Linearisierungselement in der Gaszuleitung
derart abgestimmt wird, dass ein konstantes Verhältnis von Gasmenge zu Luftmenge
in dem Mischraum erreicht wird.
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Wird
mittels eines Steuerstromes die Kraft des Elektromagneten auf den
Dauermagneten derart eingestellt, dass durch die Querschnittsänderung
der Lufteintrittsöffnung
das Verhältnis
von Gasmenge und Luftmenge gezielt verändert wird, kann das Mischungsverhältnis des
Gas-Luftgemisches in weiten Bereichen eingestellt werden.
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Eine
automatische Regelung des Gas-Luftgemisches wird erreicht, indem
die Gasmischvorrichtung mit einem Sensor zur Bestimmung der Luftzahl (Lambda)
versehen wird, das Ausgangssignal des Sensors einem Regelelement
zugeführt
und das Ausgangssignal des Regelelementes dem Elektromagneten zugeführt wird.
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Eine
verbesserte Verbrennung mit geringerem Schadstoffausstoß und verringerter
Geräuschentwicklung
wird erreicht, indem die durch die Induktionswirkung des Dauermagneten
in der Magnetspule des Elektromagneten induzierte Spannung zur Dämpfung von
Schwingungen des Steuerelementes benutzt wird oder Brennerschwingungen
detektiert werden.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
vereinfachte Ausführung
der Gasmischvorrichtung für
einen Gasbrenner gemäß dem Stand
der Technik
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2 eine
Gasmischvorrichtung für
einen Gasbrenner gemäß dem Stand
der Technik
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3 eine
vereinfachte Ausführung
der Gasmischvorrichtung für
einen Gasbrenner gemäß der Erfindung
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4 eine
Gasmischvorrichtung für
einen Gasbrenner gemäß der Erfindung
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5 in
schematischer Darstellung ein Linearisierungselement
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6 in
schematischer Darstellung das Linearisierungselement in einer verstellbaren
Ausführungsvariante
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
eine vereinfachte Ausführung
einer Gasmischvorrichtung 1 für einen Brenner 50,
wie sie derzeit beispielsweise zur Mischung von Gas und Luft für einen
Brennwertkessel zum Einsatz kommen.
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Eine
derartige Gasmischvorrichtung 1 besteht aus einer Gasarmatur 30,
die mit einer Gasleitung 40 verbunden ist, die mit einem
Mischraum 10 verbunden ist, welcher wiederum über ein
Gebläse 20 mit
einem Brenner 50 verbunden ist. Die Gasarmatur 30 besteht
aus zwei Sicherheitsventilen 32, 33 und einem
Druckregler 31. Der Mischraum 10 weist mindestens
eine Lufteintrittsöffnung 12 auf, über die Verbrennungsluft
in den Mischraum 10 einströmen kann. Durch die Gaszuleitung 40,
die eine Engstelle 42 zwischen Gasarmatur 30 und
Mischraum 10 aufweist, kann das Brenngas in den Mischraum 10 einströmen. Der
Mischraum 10 ist einseitig mit dem Gebläse 20 verbunden, welches
ein Gebläserad 21 und einen
Motor 22 aufweist. Das Gas-Luft-Gemisch wird mittels des
Gebläses 20 angesaugt
und über
eine Gasgemisch-Leitung 23 dem Brenner 50 zugeführt.
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Die
Einstellung der richtigen Gasmenge erfolgt mit der Gasarmatur 30,
die einen Druckregler 31 enthält, der den Gasdruck in der
Gasarmatur 30 auf dem Wert des Umgebungsdruckes hält.
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Die
Luft strömt
durch die Lufteintrittsöffnung 12,
die häufig
aus vielen Öffnungen
mit geringem Querschnitt ausgebildet ist. Dadurch entsteht ein Unterdruck
in dem Mischraum 10, der dafür sorgt, dass eine bestimmte
Gasmenge aus der Gasarmatur 30 in den Mischraum 10 einströmt. Infolge
der Gasströmung
kommt es an der Engstelle 42 zu einem Druckabfall, der
sich nahezu proportional zum Quadrat des Volumenstromes durch diese
Engstelle 42 verhält. Ähnlich verhält es sich
bei der Verbrennungsluft. Auch hier weist die Funktion zwischen
Druckabfall über
die mindestens eine Lufteintrittsöffnung 12 und Volumenstrom
einen nahezu parabelförmigen
Verlauf auf. Da sowohl das Gas als auch die Verbrennungsluft eine
Querschnittsverengung passieren müssen, ist der Druckabfall in
der Gasströmung
proportional zum Druckabfall in der Luftströmung, wodurch sich innerhalb
des Modulationsbereichs ein konstantes Mischungsverhältnis einstellt.
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Eine
weitere Ausfühungsform
der Gasmischvorrichtung 1 besteht aus einer Gasarmatur 30,
die mit einer Gasleitung 40 verbunden ist, die mit einem Mischraum 10 verbunden
ist, welcher wiederum mit einem Brenner 50 verbunden ist.
Die Gasarmatur 30 besteht aus zwei Sicherheitsventilen 32, 33 und
einem Druckregler 31. Durch die Gaszuleitung 40,
die eine Engstelle 42 zwischen Gasarmatur 30 und Mischraum 10 aufweist,
kann das Brenngas in den Mischraum 10 einströmen, der
beispielsweise in der Form eines Mischrohres ausgeführt sein
kann. Der Mischraum 10 weist mindestens eine Lufteintrittsöffnung 12 auf, über die
Verbrennungsluft in den Mischraum 10 einströmen kann.
Die Lufteintrittsöffnung
ist mit einem Gebläse 20 verbunden,
welches ein Gebläserad 21 und
einen Motor 22 aufweist. Der Druckregler 31 ist
mittels einer Druckleitung 34 mit der Luftzuführung hinter
dem Gebläse 20 und
vor der Lufteintrittsöffnung 12 verbunden.
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Die
Einstellung der richtigen Gasmenge erfolgt mittels des Druckreglers 31,
der den Gasdruck in der Gasarmatur 30 auf dem Wert des
Druckes vor der Lufteintrittsöffnung 12 hält.
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Nachteilig
ist bei diesem Stand der Technik, dass mit einer derartigen Vorrichtung
nur ein kleiner Modulationsbereich erzielt werden kann. Eine Gasarmatur 30,
die extreme Druckbereiche exakt regeln kann, wie sie bei größeren Modulations bereichen auftreten,
muss als Präzisionsbauteil
ausgeführt
werden und ist damit sehr teuer.
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In 3 ist
eine vereinfachte Gasmischvorrichtung 1 in der erfinderischen
Ausführung
dargestellt.
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Im
Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
weist die Gaszuleitung 40 statt der Engstelle 42 ein
Linearisierungselement 41, beispielsweise ein laminares
Flow-Element auf. Dieses Element besteht aus zahlreichen Kanälen mit
geringem Querschnitt, durch die Gas strömen kann. Kennzeichnend für derartige
laminare Flow-Elemente ist, dass das Verhältnis von Volumenstrom und
Druckabfall bis zu einem bestimmten Volumenstrom nahezu linear verläuft.
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Weiterhin
weist die erfinderische Ausgestaltung der Gasmischvorrichtung 1 an
dem Mischraum 10 mindestens ein Linearisierungselement 11 auf, das
ein lineares Verhältnis
von Volumenstrom und Druckabfall der durchströmenden Luft aufweist. Dieses
Linearisierungselement 11 besteht aus einer Lufteintrittsöffnung 12,
einem Steuerelement 13 und einem Abstandshalter 14,
wobei das Steuerelement 13 innerhalb des Mischraumes 10 in
Richtung der Luftströmung
hinter der Lufteintrittsöffnung 12 angeordnet
ist.
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In 4 ist
eine Gasmischvorrichtung 1 in der erfinderischen Ausgestaltung
dargestellt, bei der der Druckregler 31 wie in 2 über die
Druckleitung 34 mit der Luftzuführung vor der Lufteintrittsöffnung 12 verbunden
ist und den Gasdruck auf den dort vorhandenen Wert des Luftruckes
regelt. Im Unterschied zu 3 ist hier
das Gebläse 20 in
Gasflussrichtung vor dem Mischraum 10 angeordnet.
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5 zeigt
das Linearisierungselement 11 in einer vergrößerten Darstellung.
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Das
Steuerelement 13 ist innerhalb des Mischraumes 10 über einer
Lufteintrittsöffnung 12 mittels
eines Abstandshalters 14 derart angebracht, dass sich im
Ruhezustand bzw. bei minimalem Volumenstrom eine minimale Querschnittsfläche für die einströmende Luft
ausbildet, was insbesondere durch die Höhe des Abstandhalters 14 eingestellt werden
kann. Das Steuerelement 13 schließt die Lufteintrittsöffnung 12 nahezu
ab. Bei steigendem Volumenstrom biegt sich das Steuerelement 13 in Strömungsrichtung
und vergrößert so
die Querschnittsfläche
für die
einströmende
Luft und vermindert den Druckabfall. Mit diesem Steuerelement 13 wird
erreicht, dass der Druckabfall in Abhängigkeit vom Volumenstrom über die
Lufteintrittsöffnung 12 nahezu
linearisiert wird.
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Das
Steuerelement 13 kann im einfachsten Fall als dauerelastische
Zunge ausgebildet sein, und beispielsweise aus einer aus dünnem Blech
ausgebildeten Feder bestehen. Vorzugsweise kann die Zunge aus Federstahl
oder Kunststoff bestehen.
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Grundsätzlich kann
im Bereich der mindestens einen Lufteintrittsöffnung 12 auch ein
laminares Flow-Element eingesetzt werden, was aber den Nachteil
hätte,
dass dieses vergleichsweise schnell mit Staub aus der Umgebungsluft
zugesetzt wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Steuerelementes 13 kann in Form einer Abgasklappe vorgesehen
sein. In dieser Ausführungsform
kann auf den Abstandshalter verzichtet werden.
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In
bevorzugter Ausführungsform
werden in der Gasmischvorrichtung 1 zwei unterschiedliche Verfahren
zur Linearisierung der Verläufe
des Druckabfalls der Luft- und
der Gas-Strömung
eingesetzt. Dabei ist das Verhältnis
von Druck und Volumenstrom in der Gaszuleitung 40 durch
ein Linearisierungselement 41, beispielsweise durch ein
laminares Flow-Element, und das Verhältnis von Druck und Volumenstrom
der Verbrennungsluft mittels eines zweiten Linearisierungselementes 11 eingestellt.
Das Linearisierungselement 11 besteht dabei aus der Lufteintrittsöffnung 12,
dem Steuerelement 13 und dem Abstandhalter 14.
Bei optimaler Einstellung sind beide Linearisierungsverfahren derart
aufeinander abgestimmt, dass ein konstantes Verhältnis von Gasmenge zu Luftmenge über einen
relativ großen
Modulationsbereich in dem Mischraum 10 erreicht wird. Damit
kann eine einfache und kostengünstige
Gasmischvorrichtung 1 bereitgestellt werden.
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Die
Kennlinie des Linearisierungselementes 11 kann durch die
Geometrie der Zunge, ihre Steifigkeit, beeinflusst durch Material
und Dicke, sowie durch die Höhe
des Abstandhalters 14 angepasst werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Gasmischvorrichtung 1 auch als verstellbare Vorrichtung
ausgeführt
sein. Dabei steht das Steuerelement 13 mit aktiven Komponenten
in Wirkverbindung.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem an dem als Feder ausgebildeten Blechstreifen des Steuerelementes 13 ein
Dauermagnet 16 angebracht ist. In unmittelbarer Nähe ist ein
Elektromagnet 15 angeordnet, der von einem Steuerstrom durchflossen
wird. Je nach der Höhe
des Steuerstroms kann eine unterschiedliche Kraft auf den Dauermagneten 16 ausgeübt werden.
Diese Kraft beeinflusst die Stellung des Steuerelementes 13,
wodurch die Querschnittsfläche
an der Lufteintrittsöffnung 12 verändert werden
kann. Dadurch kann gezielt das Mischungsverhältnis von Gas und Luft eingestellt
werden.
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Die
aktive Komponente, beispielsweise der Elektromagnet 15 kann
auch mit dem Steuerelement 13 fest verbunden sein und mit
einem passiven Element, beispielsweise dem Dauermagneten 16 in Wirkverbindung
stehen.
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Im
Zusammenspiel mit einem Sensor zur Messung der Luftzahl (Lambda)
kann eine Luftzahlregelung aufgebaut werden, indem das Ausgangssignal
des Sensors einem Regelelement zugeführt wird und das Ausgangssignal
des Regelelementes der aktiven Komponenten, beispielsweise dem Elektromagneten 15 zugeführt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können aufgrund
der Induktionswirkung des Dauermagneten 16 auf die Magnetspule
des Elektromagneten 15 Schwingungen des Steuerelementes 13 gedämpft werden
oder Brennerschwingungen detektiert werden.
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Insgesamt
lassen sich mit diesem Verfahren und mit den Ausführungsbeispielen
kostengünstige und
verschmutzungsunempfindliche Gasmischvorrichtungen bereitstellen,
die einen großen
Modulationsbereich aufweisen und/oder eine Luftzahlregelung erlauben.