DE19821853C1

DE19821853C1 - Regeleinrichtung für Gasbrenner

Info

Publication number: DE19821853C1
Application number: DE19821853A
Authority: DE
Inventors: Enno Vrolijk
Original assignee: Honeywell BV
Current assignee: Garrett Motion SARL
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2018-05-16
Also published as: EP0957314B1; EP0957314A2; EP0957314A3; DE59913006D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Gasbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Regeleinrichtungen für Gasbrenner sind aus dem Stand der Technik, z. B. der EP 0 390 964 A1, hinlänglich bekannt. Adaptive Servodruckregler für verschiedene Gasarten sind aus der DE 42 30 201 A1 sowie aus der EP 0 103 303 A2 bekannt.

Um innerhalb des Gasbrenners für eine optimale und vollständige Verbrennung des Brennstoffs, nämlich des Gases, zu sorgen, muß eine Regeleinrichtung den Gasbrenner mit einem entsprechend abgestimmten Gas/Luft-Gemisch versorgen. Da jedoch die Qualität des von der Gasversorgung bereitgestellten Gases - die Qualität von Gas wird durch einen sogenannten Wobbe-Index definiert - schwankt, muß die Regeleinrichtung hierauf reagieren und zur Gewährleistung der optimalen und vollständigen Verbrennung das Gas/Luft-Gemisch in Abhängigkeit von der Qualität des Gases entsprechend variieren.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine Regeleinrichtung für Gasbrenner zu schaffen, die mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln auch bei schwankender Gasqualität ein für die Verbrennung optimales Gas/Luft- Gemisch bereitstellt.

Dieses Problem wird durch eine Regeleinrichtung für Gasbrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Gasregelgerät zusammen mit weiteren Baugruppen;

Fig. 2 das Gasregelgerät gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3 die funktionale Abhängigkeit zwischen Luftstrom und Gasstrom bei verschiedenen Gasqualitäten bei dem Gasregelgerät gemäß Fig. 1;

Fig. 4 die funktionale Abhängigkeit zwischen Luftstrom und Gasstrom bei verschiedenen Gasqualitäten bei einem abgewandeltem Gasregelgerät;

Fig. 1 zeigt ein Gasregelgerät 10 in Verbindung mit einem Brenner 11, der ebenso wie ein Wärmeaustauscher 12 in einer Brennkammer 13 angeordnet ist. Der Wärmeaustauscher 12 ist über eine Vorlaufleitung 14 und eine Rücklaufleitung 15 mit einem nicht weiter dargestellten Verbraucher verbunden. Ein Temperaturfühler 16 mißt die Vorlauftemperatur des dem Verbraucher zugeführten Heißwassers und liefert ein entsprechendes Signal 17 an einen Regler 18. In der Brennkammer 13 entstehende Abgase verlassen die Brennkammer 13 über einen Rauchgasabzug 19. Ein weiterer Sensor bzw. Fühler 20, insbesondere ein Gasqualitätssensor, liefert ein Signal 21 ebenfalls an den Regler 18. Der Fühler 20 kann als O₂-Sensor, Ionisationssensor oder Temperatursensor ausgebildet sein. Auf Grundlage des Signals 17 des Temperaturfühlers 16 für die Vorlauftemperatur und eines einstellbaren Sollwerts für die Vorlauftemperatur steuert bzw. regelt der Regler 18 beispielsweise über einen Umrichter die Energiezufuhr zu einem Motor 22 eines Gebläses 23. Einem entsprechenden Regelungssignal ist die Bezugsziffer 24 zugeordnet. Die vom Gebläse 23 erzeugte Druckluft bzw. der erzeugte Luftstrom wird über einen Luftkanal 25 dem Brenner 11 zugeleitet. Weiterhin wird dem Brenner 11 über eine in dem Luftkanal 25 angeordneten Gasdüse 26 vom Gasregelgerät 10 her das zu verbrennende Gas zugeleitet.

Der Druck der vom Gebläse 23 erzeugten Druckluft wird über eine Druckleitung 27 dem Gasregelgerät 10 zugeleitet. Innerhalb des Luftkanals 25 ist in unmittelbarer Nähe zu einem Anschlußbereich 28 der Druckleitung 27 eine Blende oder Drosselstelle 29 angeordnet.

Wie Fig. 1 weiterhin entnommen werden kann, steuert bzw. regelt der Regler 18 nicht nur die Energiezufuhr zum Motor 22 des Gebläses 23, auch steuert bzw. regelt der Regler 18 in Abhängigkeit des Signals 21 die Stromzufuhr zu einem Linearantrieb 30 des Gasregelgerät 10 und damit die Menge des dem Brenner 11 zuzuleitenden Gases. Einem entsprechenden Regelungssignal ist die Bezugsziffer 31 zugeordnet. Das von dem Fühler 20 stammende Signal 21 schwankt in Abhängigkeit der Gasqualität.

Es ist demnach im Sinne der Erfindung, sowohl den dem Brenner 11 zuzuleitenden Luftstrom als auch den dem Brenner 11 zuzuleitenden Gasstrom in Abhängigkeit voneinander unter Berücksichtigung der Gasqualität zu regeln bzw. zu steuern.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend in Verbindung mit dem in Fig. 2 schematisch wiedergegebenen Gasregelgerät 10 beschrieben:

Das Gasregelgerät 10 bestehend aus einem Hauptgasventil 32, einem Sicherheitsventil 33 und einem Druckregler 34. Gas gelangt von einer nicht dargestellten Versorgungsleitung über einen Einlaß 35 in das Gasregelgerät 10 und verläßt dieses durch einen Auslaß 36, an welchen beispielsweise die Gasdüse 26 angeschlossen ist.

Der Druckregler 34 verfügt über den bereits erwähnten Linearantrieb 30. Eine über den Linearantrieb 30 verschiebbare Ventilstange 37 trägt an ihrem unteren Ende einen Schließkörper 38. Ein dazugehöriger Ventilsitz 39 wird durch einen umlaufenden Rand 40 gebildet. Schließkörper 38 und Ventilsitz 39 bilden zusammen ein Einschaltventil 41. In Strömungsrichtung hinter dem Einschaltventil 41 ist eine erste Kammer 42 angeordnet. Dieser Kammer 42 wird der Steuerdruck für eine Antriebskammer 43 des Hauptgasventils 32 entnommen. Die Kammer 42 steht über einen die Ventilstange 37 umgebenden Kanal 44 mit einem Ventilsitz 45 in Verbindung, welchem als Schließkörper der zentrale Teil 46 einer Membran 47 gegenübersteht. Die Ventilstange 37 ist in diesem zentralen Teil 46 der Membran 47 abgedichtet gehalten. Eine zweite Kammer 48 zwischen Membran 47 und Ventilsitz 45 ist, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, an einen Kanal 49 angeschlossen. Der Kanal 49 steht mit dem Auslaß 36 des Gasregelgeräts 10 in Verbindung.

Die Gasregelgerät kann erst wirksam werden, wenn das Sicherheitsventil 33 geöffnet ist. Aufbau und Arbeitsweise solcher Sicherheitsventile sind bekannt. In Fig. 2 sind alle Ventile in Ruhestellung gezeigt, in der sie durch Rückstellfedern gehalten werden.

Sobald Gas durch das Sicherheitsventil 33 in einen Raum 50 unterhalb des Einschaltventils 41 eintritt, kann der Brennerzyklus in Gang gesetzt werden. Hierzu wird dem Linearantrieb 30 Strom zugeführt, welcher bewirkt, daß der Schließkörper 38 des Einschaltventils 41 nach unten gedrückt wird. Überschreitet dieser Strom einen Mindestwert, so hebt der Schließkörper 38 vom Ventilsitz 39 ab und geht in eine Offenstellung über. Mit dem Öffnen des Einschaltventils 41 fließt Gas in die erste Kammer 42.

Das Hauptgasventil 32 bestehend aus Schließkörper 51, Ventilsitz 52, Ventilstange 53, Membran 54 und der Antriebskammer 43 bleibt unter der Einwirkung der Rückstellfeder 55 geschlossen. Beim Öffnen des Einschaltventils 41 wird die Ventilstange 37 soweit nach unten verschoben, daß über das geöffnete Einschaltventil 41 Gas in die Kammer 42 gelangt, in der sich allmählich ein Steuerdruck aufbaut. Dieser wird über die Kanäle 56 und 57 der Antriebskammer 43 des Hauptventils 32 zugeführt. Sobald die vom Steuerdruck in der Antriebskammer 43 erzeugte, nach oben auf die Membran 54 einwirkende Kraft die von der Rückstellfeder 55 ausgeübte, nach unten auf die Membran 54 gerichtete Kraft zuzüglich der vom Eingangsdruck von oben auf den Schließkörper 51 einwirkenden Kraft übersteigt, bewegt die Membran 54 die Ventilstange 53 nach oben und hebt den Schließkörper 51 vom Ventilsitz 52. Damit gelangt Gas vom Einlaß 35 über den Raum 50 und durch das Hauptgasventil 32 zum Auslaß 36.

Der sich in der zweiten Kammer 48 aufbauende Steuerdruck gelangt zugleich unter die Membran 47 und hält dort der vom Linearantrieb 30 ausgeübten Kraft das Gleichgewicht. Nimmt der Druck in der Kammer 48 zu, so hebt das einen Schließkörper bildende zentrale Teil 46 der Membran 47 weiter vom Ventilsitz 45 ab, so daß ein Teil des Steuerdrucks in der Kammer 48 über den Kanal 49 zum Auslaß 36 hin abgebaut wird, bis das aus dem Ventilsitz 45 und dem zentralen Teil 46 gebildete Ventil wieder schließt. Dies geschieht, sobald das Kräftegleichgewicht zwischen der auf die Membran 47 von unten einwirkenden pneumatischen Kraft des Drucks in der Kammer 48 gleich der von oben auf die Ventilstange 37 einwirkenden Kraft ist.

Zur Einstellung des maximalen Druckes am Auslaß 36 ist ein Gleichdruckregler 58 vorhanden, der über einen Kanal 59 und den Kanal 56 an die den Steuerdruck führende Kammer 42 und somit zugleich auch an die Antriebskammer 43 des Hauptventils 32 angeschlossen ist. Steigt der Druck in dem Kanal 59 zu stark an, so wird er über das Ventil des Gleichdruckreglers 58, bestehend aus Ventilsitz 60 und Schließkörper 61, abgeblasen. Hierzu steht eine Druckkammer 62 des Gleichdruckreglers 58 über einen Kanal 63 mit dem zum Auslaß 36 führenden Kanal 49 in Verbindung.

Die Höhe des Drucks am Auslaß 36 bestimmt sich aus dem Kräftegleichgewicht zwischen der auf die Membran 64 des Gleichdruckreglers 58 von unten einwirkenden pneumatischen Kraft des Drucks in der Antriebskammer 43 und den von oben auf die Membran 64 einwirkenden Kräften. Bei den von oben auf die Membran 64 des Gleichdruckreglers 58 einwirkenden Kräften handelt es sich erstens um die pneumatischen Kraft des Drucks in dem Luftkanal 25 und zweitens um eine über eine Feder 65 auf die Membran 64 einwirkende Kraft. Mittels einer entsprechenden Einstellschraube 66 ist die Federkraft einstellbar.

Die Einstellung des Gleichdruckreglers 58 - auch 1 : 1-Gas/Luft-Regler genannt - erfolgt in Bezug auf die schlechteste zu erwartende (bzw. in Bezug auf die ärmste) Gasqualität. Gleiches gilt für die Bemessung der Öffnungsquerschnitte von Gasdüse 26 und Drosselstelle 29. Für den Fall der schlechtesten bzw. ärmsten Gasqualität wird des weiteren dem Linearantrieb 30 des Druckreglers 34 ein maximaler Strom I zugeführt. In diesem Fall arbeitet das Gasregelgerät 10 wie ein 1 : 1-Gas/Luft-Regler; das Verhältnis von Gasdruck zu Luftdruck bzw. das Verhältnis des dem Brenner 11 zugeführten Gasstroms und Luftstrom beträgt dann 1 : 1. Fig. 3 zeigt dieses Verhältnis in der Linie 67, wobei auf der X-Achse 68 der Luftdruck und auf der Y-Achse 69 der Gasdruck aufgetragen ist.

Bei einer über den Fühler 20 erkannten verbesserten Gasqualität wird über den Regler 18 der dem Linearantrieb 30 des Druckreglers 34 zugeführte Strom I reduziert. Der Gastrom nimmt dann im Verhältnis zum Luftstrom ab. Fig. 3 zeigt dies exemplarisch in der Linie 70 für die beste zu erwartende (bzw. für die reichste) Gasqualität. Die horizontal verlaufenden Linien 71 in Fig. 3 entsprechen einem konstanten Strom I.

Zum Anfahren des Brenners 11 kann mit dem erfindungsgemäßen Gasregelgerät 10 wie folgt vorgegangen werden: Zuerst wird das Gebläse 23 zur Bereitstellung eines Luftstroms gestartet. Darauffolgend wird das Sicherheitsventil 33 des Gasregelgeräts 10 geöffnet, wobei dem Linerantrieb 30 des Druckreglers 34 der maximale Strom I zugeführt wird, demzufolge wird das Gasregelgerät 10 beim Anfahren wie ein 1 : 1-Gas/Luft-Regler betrieben. Gasstrom und Luftstrom bestimmen sich demnach beim Anfahren des Brenners 11 nach dem Verhältnis 1 : 1 unabhängig von der tatsächlichen Gasqualitat. Nach dem Zünden der Flamme wird der Strom I in Abhängigkeit von der tatsächlichen Gasqualität reduziert. Der Gas/Luft-Strom wird demnach an die Gasqualität angepaßt.

Soll wegen eines steigenden Wärmebedarfs des vom Brenner 11 beheizten Verbrauchers, z. B. einer Raumheizvorrichtung oder eines Warmwasserbereiters, der Gasdurchsatz zum Brenner 11 erhöht werden, so muß das Hauptgasventil 32 weiter geöffnet, also der Steuerdruck in der Antriebskammer 43 erhöht werden. Hierzu wird über den Regler 18 einerseits die Energiezufuhr zum Gebläse 23 erhöht sowie andererseits den Linearantrieb 30 ein stärkerer Strom zugeführt. Durch die erhöhte Energiezufuhr zum Gebläse 23 steigt der Luftdruck im Luftkanal 25 und damit die von oben auf die Membran 64 des Gleichdruckreglers 58 einwirkende Kraft. Durch die erhöhte Stromzufuhr zum Linearantrieb 30 wird die Ventilstange 37 mit größerer Kraft nach unten gedrückt wird. Das aus dem Ventilsitz 45 und dem zentralen Teil 46 gebildete Ventil öffnet dann erst bei einem höheren Druck unter der Membran 47. Bei einer gewünschten Verringerung des Gasdurchsatzes zum Brenner 11 wird entgegengesetzt verfahren.

Als Linearantrieb 30 kann z. B. ein Magnetantriebs mit ortsfester Spule und beweglichem Anker oder auch ein Tauchspulantrieb mit ortsfestem Magnetkreis und beweglicher Spule Verwendung finden.

In Abweichung zu dem in Fig. 1, 2 bezeigten Gasregelgerät ist es auch möglich, den im Luftkanal 25 herrschenden Druck zusätzlich dem Druckreglers 34, nämlich einer oberhalb der Membran 47 angeordneten Kammer 72, zuzuführen. Dies hat den Vorteil, daß bei Erhöhung des Luftdruck in dem Luftkanal 25 gleichzeitig eine Anpassung der Kräfteverhältnisse an der Membran 47 des Druckreglers 34 erfolgt.

Für ein derartig abgeändertes Gasregelgerät gibt Fig. 4 die funktionale Abhängigkeit zwischen Luftstrom und Gasstrom bei verschiedenen Gasqualitäten wieder. Linie 73 in Fig. 4 zeigt das Verhältnis von Gasdruck zu Luftdruck bzw. das Verhältnis des dem Brenner 11 zugeführten Gasstroms und Luftstroms für die schlechteste (ärmste) zu erwartende Gasqualität. Auf der X-Achse 75 ist der Luftdruck und auf der Y-Achse 76 der Gasdruck aufgetragen. Für diesen Fall wird dem Linearantrieb 30 des Druckreglers 34 wieder ein maximaler Strom I zugeführt. Das Gasregelgerät arbeitet dann wie ein 1 : 1- Gas/Luft-Regler. Bei einer über den Fühler 20 erkannten verbesserten Gasqualität wird über den Temperaturregler 18 der dem Linearantrieb 30 des Druckreglers 34 zugeführte Strom I reduziert. Der Gastrom nimmt dann im Verhältnis zum Luftstrom ab. Fig. 4 zeigt dies exemplarisch in der Linie 74 für die beste (reichste) zu erwartende Gasqualität. Die parallel zu der Linie 73 verlaufenden Linien 77 in Fig. 4 entsprechen einem konstanten Strom I. Bei einem steigenden Wärmebedarf des vom Brenner 11 beheizten Verbrauchers muß über den Regler 18 die Energiezufuhr zum Gebläse 23 erhöht werden, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 notwendige Erhöhung der Stromzufuhr zum Linearantrieb 30 entfällt jedoch. Vielmehr wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 die Stromzufuhr zum Linearantrieb 30 reduziert. Für die schlechteste (ärmste) zu erwartende Gasqualität (Linie 73) entfällt die Anpassung der Stromzufuhr.

Als weitere Alternative kann der Gleichdruckreglers 58 bzw. der 1 : 1-Gas/Luft-Regler der Gasregelgeräte der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durch einen Verhältnisdruckregler bzw. einen 1 : N-Gas/Luft-Regler ersetzt werden.

Bezugszeichenliste

10

Gasregelgerät

11

Brenner

12

Wärmeaustauscher

13

Brennkammer

14

Vorlaufleitung

15

Rücklaufleitung

16

Temperaturfühler

17

Signal

18

Regler

19

Rauchgasabzug

20

Fühler

21

Signal

22

Motor

23

Gebläse

24

Regelungssignal

25

Luftkanal

26

Gasdüse

27

Druckleitung

28

Anschlußbereich

29

Drosselstelle

30

Linearantrieb

31

Regelungssignal

32

Hauptgasventil

33

Sicherheitsventil

34

Druckregler

35

Einlaß

36

Auslaß

37

Ventilstange

38

Schließkörper

39

Ventilsitz

40

Rand

41

Einschaltventil

42

Kammer

43

Antriebskammer

44

Kanal

45

Ventilsitz

46

Teil

47

Membran

48

Kammer

49

Kanal

50

Raum

51

Schließkörper

52

Ventilsitz

53

Ventilstange

54

Membran

55

Rückstellfeder

56

Kanal

57

Kanal

58

Gleichdruckregler

59

Kanal

60

Ventilsitz

61

Schließkörper

62

Druckkammer

63

Kanal

64

Membran

65

Feder

66

Einstellschraube

67

Linie

68

X-Achse

69

Y-Achse

70

Linie

71

Linie

72

Kammer

73

Linie

74

Linie

75

X-Achse

76

Y-Achse

77

Linie

Claims

1. Regeleinrichtung für Gasbrenner zur Bereitstellung eines unterschiedliche Gasqualitäten berücksichtigenden, verbrennungsoptimierten Gas/Luft-Gemisches, mit einem Hauptgasventil (32), einem Sicherheitsventil (33) und einem ersten Druckregler (34), wobei ein Ausgangssteuerdruck des ersten Druckreglers (34) durch einen Linearantrieb (30) einstellbar ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Druckregler (58), wobei der zweite Druckregler (58) den maximal zulässigen Druck des einem Brenner (11) zuzuführenden Gasstroms auf den Druck des ebenfalls dem Brenner (11) zuzuführenden Luftstroms begrenzt, und wobei bei sich verändernder Gasqualität der Ausgangssteuerdruck des ersten Druckreglers (34) zur Veränderung des Gastroms unter Beibehaltung des Luftstroms einstellbar ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Druckregler (58) der Druck des Luftstroms über eine Druckleitung (27) zuführbar ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Luftstroms neben dem zweiten Druckregler (58) zusätzlich dem ersten Druckreglers (34) zuführbar ist.

4. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der zweite Druckregler (58) als Gleichdruckregler ausgebildet ist.

5. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der zweite Druckregler als Verhältnisdruckregler ausgebildet ist.