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Die
Erfindung betrifft eine Feuerungseinrichtung, insbesondere ein Gasbrenner,
wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur von dem
Wert des Betriebsparameters abhängt
und bei einem bestimmten Parameterwert ein Maximum aufweist.
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Im
Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer,
für die
Bereitung von Warmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme u. ä. eingesetzt.
In den jeweiligen Betriebszuständen
werden an das Gerät
unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere
die Leistungsabgabe des Brenners und die von der Brennerflamme erzeugte
Temperatur. Die Leistungsabgabe und die erforderliche Temperatur
werden beispielsweise beim Betrei ben eines Durchlauferhitzers geringer
sein als beim Erzeugen von Warmwasser in einem Kessel.
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Die
Leistungsabgabe wird im wesentlichen durch die Einstellung der Zufuhr
von Brenngas und Luft, und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen
Gas und Luft bestimmt. Auch die von der Flamme erzeugte Temperatur
ist unter anderem eine Funktion des Mischungsverhältnisses
zwischen Gas und Luft. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als
Verhältnis
der Massenströme
oder der Volumenströme
der Luft und des Gases angegeben werden.
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Die
Einstellung des Mischungsverhältnisses erfolgt,
insbesondere bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch pneumatische
Steuerung von Ventilen zur Einstellung der Luft- und Gaszufuhr (Prinzip
des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Steuerung werden
Drücke
oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen gemessen.
Diese Größen werden als
Steuergrößen für wenigstens
ein pneumatisches Gasregelventil, durch das beispielsweise die Gaszufuhr
zum Luftstrom eingestellt wird, verwendet. Nachteilhaft an der pneumatischen
Steuerung ist jedoch insbesondere, dass empfindliche mechanische
Bauteile eingesetzt werden müssen,
die auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders
bei niedrigen Arbeitsdrücken
kommt es zu Ungenauigkeiten in der Steuerung, so dass das Gebläse stets
einen bestimmten Mindestdruck erzeugen muss, um eine ausreichend
präzise
Regelung zu erreichen. Außerdem
ist der Aufwand bei der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten
pneumatischen Gasregelventile wegen der hohen Präzisionsanforderungen beachtlich.
Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen der Gasart und -qualität nicht
flexibel reagiert werden. Um gewünschte
Anpassungen der Gaszufuhr dennoch vornehmen zu können, müssen zusätzliche elektronische Einrichtungen,
z.B. Stellglieder, bereitgestellt werden, was jedoch zusätzlichen
Aufwand bedeutet.
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Aus
diesen Gründen
ist man dazu übergegangen,
Gasbrenner mit einem elektronischen Verbund auszustatten. Bei elektronischer
Steuerung können
einfach steuerbare Ventile, etwa mit pulsweitenmodulierten Spulen
oder mit Schrittmotoren, eingesetzt werden, um ein bestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen.
Im elektronischen Verbund kann auf Änderungen der Gasqualität flexibel
reagiert werden.
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Für jeden
vorgegebenen Luft-Massenstrom bzw. Gas-Massenstrom lässt sich ein Mischungsverhältnis angeben,
bei dem die Effektivität
der Verbrennung maximiert wird, d.h. bei dem der Brennstoff möglichst
vollständig
und sauber verbrennt. Optimale Verbrennung bedeutet gleichzeitig
eine Maximierung des Wirkungsgrades der Anlage. Das optimale Mischungsverhältnis hängt unter
anderem von der Brennstoffzusammensetzung und -qualität ab. Aus diesem
Grund ist es wichtig, das Mischungsverhältnis in zeitlichen Abständen zu
bestimmen und die Massenströme
von Gas und Luft so einzustellen und zu regeln, dass ein maximaler
Wirkungsgrad erreicht wird. Die Bestimmung des optimalen Verhältnisses erweist
sich jedoch häufig
als schwierig, da sich die Betriebsbedingungen nach der Inbetriebnahme
des Geräts
laufend ändern
können.
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In
der
EP 770 824 B1 ist
ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe einer Ionisationselektrode
ein Kalibrierzyklus zum Nachzustellen des elektrischen Sollwerts
der Ionisationselektrode durchlaufen wird. Dadurch sollen Änderungen
der thermischen Kopplung zwischen der Ionisationselektrode und dem
Gasbrenner, die beispielsweise auf Grund von Verschleiß, Verbiegen
und auf Grund von Verschmutzungen entstehen, ausgeglichen werden.
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Mit
diesem Verfahren, das alleine auf das Signal der Ionisationselektrode
zurückgreift,
ist es jedoch nicht möglich,
ein definiertes Gas-Luftverhältnis genau
zu bestimmen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einer Feuerungseinrichtung
die Möglichkeit
zu schaffen, einen Zielwert für
das Luft-Gas-Verhältnis
möglichst
einfach und zuverlässig
in ausgewählten
Zeitabständen
zu bestimmen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Ansprüche 1
und 13 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17.
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Bei
der Einstellung von Betriebsparametern der Feuerungseinrichtung,
wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur von dem
Wert des Betriebsparameters abhängt
und bei einem bestimmten Parameterwert ein Maximum aufweist, wird nach
Ermittlung des dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwerts
ein gewünschter
Zielparameterwert eingestellt.
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Ausgehend
von einem zufällig
oder dem zuletzt eingestellten Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff
wird dieses Mischungsverhältnis,
beispielsweise durch kontinuierliche Erhöhung der Luftmenge bei konstanter
zugeführter
Gasmenge, oder durch Veränderung
der pro Zeiteinheit zugeführten Gasmenge
bei konstanter Luftmenge, kontinuierlich oder schrittweise verändert. Durch
Ermittlung und Erfassung der im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessenen
Ist-Temperaturen
in Abhängigkeit
von dem eingestellten Mischungsverhältnissen werden der maximale
Temperaturwert sowie das dazugehörige
Mischungsverhältnis
bestimmt. An schließend
wird das bestimmte Mischungsverhältnis
zwischen Luft- und Gasmenge mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert,
um den Zielwert für
das Mischungsverhältnis
zu erhalten. Der Faktor kann entweder empirisch ermittelt oder theoretisch
berechnet werden. Der Faktor hängt
im wesentlichen von den stöchiometrischen
Verhältnissen
zwischen den im Luft-Gasgemisch enthaltenen Stoffen ab. Das Mischungsverhältnis wird
durch Veränderung
der zugeführten
Luftmenge bei konstanter zugeführter
Gasmenge oder durch Veränderung
der Gasmenge bei konstanter zugeführter Luftmenge eingestellt.
Auf diese Weise wird ein optimales Mischungsverhältnis für jede gewünschte Brennerleistung bei
unterschiedlichen Gasqualitäten,
aber auch bei Veränderung
von Einstellungen bzw. bei einer Änderung der Charakteristika
der am Gasbrenner angeordneten Sensoren, genau, sicher und zuverlässig eingestellt.
Damit wird stets eine optimale Verbrennung und damit ein maximaler
Wirkungsgrad des Gasbrenners gewährleistet.
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Insbesondere
wird der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert durch
Variation des Parameterwerts , beginnend von einem Anfangswert bis
zu einem Endwert , und Erfassung von der Feuerungseinrichtung erzeugter
gemessener Temperaturwerte ermittelt, wobei der dem Temperaturmaximum
entsprechende Parameterwert bei der Variation wenigstens einmal über- bzw.
unterschritten wird. Für
verschiedene Einstellungen des Parameters werden die Ist-Temperaturen
aufgenommen und in Abhängigkeit
von dem entsprechenden Parameterwert abgespeichert. Nach Überschreiben
des Temperaturmaximums kann der Vorgang abgebrochen werden. Durch
einen entsprechenden Algorithmus bzw. durch Vergleich der abgespeicherten
Temperaturwerte werden der maximale Temperaturwert und der entsprechende
Parameterwert ermittelt. Auf Basis dieses Werts wird dann der Zielparameterwert eingestellt.
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Bevorzugt
wird der dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert durch
die Erfassung einer Änderung
des Vorzeichens der ersten Ableitung einer Kurve, die die Abhängigkeit
der von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperaturwerte
von den Parameterwerten darstellt, bestimmt. In dieser Ausführungsform
wird der Parameterwert variiert. Durch einen entsprechenden Algorithmus
kann für
jeden Parameterwert die erste Ableitung bzw. der Differenzial errechnet
werden. Beispielsweise kann ein erster Parameterwert und der bei
diesem ersten Parameterwert ermittelte Temperaturwert gespeichert
werden. Der Parameterwert wird daraufhin um einen relativ geringen
Betrag variiert und der dazugehörige
Temperaturwert ermittelt. Die erste Ableitung bzw. das Differenzial
ergibt sich dann als Quotient aus der Differenz zwischen den ermittelten
Temperaturen und der Differenz zwischen den entsprechenden Parameterwerten.
Sobald dieser Wert Null wird bzw. sein Vorzeichen ändert, ist das
Temperaturmaximum und der dazugehörige Parameterwert bestimmt,
bzw. das Temperaturmaximum überschritten
worden.
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Der
dem Temperaturmaximum entsprechende Parameterwert kann insbesondere
durch eine iterative Annäherung
des Parameterwerts an den dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwert
ermittelt werden. Iteration bedeutet in diesem Zusammenhang jede
schrittweise Annäherung
an das Temperaturmaximum bzw. den zum Maximum gehörenden Parameterwert.
Dabei kann ein geeigneter Iterationsalgorithmus verwendet werden.
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Der
Vorgang umfasst insbesondere wenigstens einen weiteren Variationsschritt,
bei dem der Parameterwert, ausgehend von dem zuletzt erreichten Endwert,
unter Über-
bzw. Unterschreitung des dem Temperaturmaximum entsprechenden Parameterwerts
variiert wird, wobei der Abstand zwischen Anfangs- und Endwert bei
jeder Wiederholung des Variationsschrittes verringert wird. Das
Temperaturmaximum bzw. der dazugehörige Parameterwert wird mit jeder
Wiederholung genauer eingegrenzt. Auf diese Weise kann zunächst eine
grobe Abschätzung
der Lage des Temperaturmaximums vorgenommen werden. Mit jedem Überschreiten
des Temperaturmaximums wird dann eine genauere Bestimmung durchgeführt.
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Der
genannte Schritt wird bevorzugt wiederholt, bis der dem Temperaturmaximum
entsprechende Parameterwert innerhalb einer vorgegebenen Toleranz
bestimmt werden kann.
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Der
Variationsschritt wird insbesondere wiederholt, bis der dem Temperaturmaximum
entsprechende Parameterwert innerhalb einer vorgegebenen Toleranz
bestimmt werden kann.
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Der
Variationsschritt kann n-mal wiederholt werden, wobei n eine vorgegebene
natürliche
Zahl ist. Dies bedeutet, dass die Zahl der Wiederholungen des Annäherungsschritts
an das Temperaturmaximum vorbestimmt ist.
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Der
Parameterwert ist insbesondere das Verhältnis einer Luftmenge zu einer
Menge an Verbrennungsmedium in einem der Feuerungseinrichtung pro
Zeiteinheit zuzuführenden
Gemisch aus Luft und Verbrennungsmedium. Während der Vorgang prinzipiell
auch zur Bestimmung anderer Betriebsparameter geeignet ist, die
eine ähnliche
Charakteristik zeigen, wie die Temperaturabhängigkeit vom Mischungsverhältnis, bezieht
sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich auf die Be stimmung des
optimalen Mischungsverhältnisses
zwischen Luft und Verbrennungsmedium. Dieser Wert ist für einen
effektiven Betrieb des Brenners besonders kritisch. Insbesondere
bei Schwankungen der Qualität
des Verbrennungsgases sollte eine Neueinstellung des Mischungsverhältnisses
vorgenommen werden, um eine möglichst
saubere Verbrennung zu erreichen. Ein Nachstellen des Parameters
kann dabei beispielsweise in periodischen Zeitabständen, bei
einem Lastwechsel, beim Betriebsstart, oder bei einer Wartung des
Geräts
durchgeführt
werden.
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Alternativ
kann der Parameterwert beispielsweise auch dem Flammenabstand zur
Brennerdüse bzw.
-fläche
entsprechen.
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Der
Parameterwert kann durch Erhöhung des
Massenstroms bzw. des Volumenstroms der Luft oder des Verbrennungsmediums
verändert
werden. Über
die Einstellung entsprechender Gasventile, insbesondere im elektronischen
Verbund, kann auf einfache Weise das Mischungsverhältnis erhöht bzw.
erniedrigt werden. Dabei wird insbesondere die Einstellung der Zufuhr
des jeweils anderen Mediums bzw. die Einstellung des entsprechenden
Gasventils konstant gehalten.
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Der
Massen- bzw. Volumenstrom der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luft
und des der Feuerungseinrichtung zugeführten Verbrennungsmediums wird
bevorzugt alternierend verändert,
insbesondere erhöht.
Nachdem eine Überschreitung des
Temperaturmaximums registriert worden ist, muss das Mischungsverhältnis in
umgekehrter Richtung erhöht
werden, um sich dem Temperaturmaximum von der anderen Seite erneut
anzunähern.
Ist beispielsweise das Mischungsverhältnis zu Beginn oberhalb des
dem Temperaturmaximum entsprechenden Werts eingestellt, so wird
zunächst
bei konstanter Einstellung des Luftventils und/oder der Ventilatordrehzahl
des Brennergebläses
das Gasventil so weit geöffnet,
bis ein Wert unterhalb des dem Temperaturmaximum entsprechenden
Werts erreicht wird. Daraufhin wird die Gasventileinstellung beibehalten
und die Luftzufuhr, beispielsweise durch Erhöhung der Ventilatordrehzahl
oder durch Veränderung der
Ventilöffnung
der Luftzufuhr, erhöht.
Nach erneuter Überschreitung
des Maximums kann der Vorgang wiederholt werden, bis der Maximalwert
eindeutig ermittelt werden kann.
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Aus
den von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperaturwerten
kann in Abhängigkeit
von den Parameterwerten eine erste Kennlinie erstellt werden. Dazu
werden die gemessenen Temperaturwerte in Abhängigkeit vom variierten Parameterwert
in einer Tabelle oder in einer anderen Darstellung, beispielsweise
in einer graphischen Darstellung, abgespeichert. Bei Bedarf kann
auf diese Kennlinie zurückgegriffen
werden. Beispielsweise kann zum Nachregulieren des Zielparameterwerts auf
den aus der Kennlinie bekannten, der maximalen Temperatur entsprechenden
Parameterwert zurückgegriffen
werden. Ausgehend von dieser Einstellung wird durch Öffnung eines
Ventils um einen vorgegebenen Faktor der Zielparameterwert eingestellt.
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Eine
weitere Kennlinie wird durch Wiederholung des Verfahrnes, wie es
oben geschildert wurde, bei verschiedenen Brennerleistungen erstellt.
Diese Kennlinie zeigt eine Abhängigkeit
zwischen der von der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit erzeugten Brennerleistung
oder der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luftmenge oder eines
Differenzdrucks an einer Blende oder einem Drosselventil und der entsprechenden
Solltemperatur. Bei der Verwendung einer derartigen Kennlinie kann
der Zielparameterwert in einfacher Weise dadurch ermittelt und/oder eingestellt
werden, dass bei vorgegebener Leistung einer oder mehrere Betriebs parameter
so lange verändert
werden, bis sich die zur Leistung gehörenden Solltemperatur einstellt.
Insbesondere kann das Luft-Gasverhältnis verändert werden, bis eine Ist-Temperatur eingestellt
ist, die der Solltemperatur entspricht. Auf diese Weise kann bei
einem Lastwechsel auf bereits bekannte gemessene Zielparameter zurückgegriffen
werden, ohne dass der oben beschriebene Vorgang für jede neu
eingestellte Leistung durchgeführt
werden muss. Die Kennlinie kann insbesondere bei Lastwechseln verwendet
werden, die innerhalb einer kurzen Zeitdauer durchgeführt werden,
in der die Brennstoffqualität
und/oder die Betriebseinstellungen und/oder die am Gasbrenner eingesetzten
Sensoren keine erheblichen Änderungen erfahren.
Jedoch sollte die Kennlinie in bestimmten Zeitabständen bzw.
beim Eintreten bestimmter Bedingungen neu aufgenommen werden, insbesondere wenn
anzunehmen ist, dass neue Randbedingungen vorliegen.
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Die
Kennlinie wird insbesondere in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom
oder Luftvolumenstrom erstellt. Der Luftmassenstrom kann durch einen
entsprechenden im Luftzufuhrabschnitt des Brenners angeordneten
Sensor gemessen werden.
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Bei
einer bestimmten von der Feuerungseinrichtung erzeugten Brennerleistung
kann der eingangs geschilderte Einstellvorgang zur Bestimmung des
Zielparameterwerts durchgeführt
werden, um einen Wert der zweiten Kennlinie zu ersetzen. Auf diese
Weise muss nicht die gesamte zweite Kennlinie stets neu aufgenommen
werden, wenn eine Anpassung an die Randbedingungen stattfinden soll.
Vielmehr kann eine Anpassung der zweiten Kennlinie durch Ersatz
einzelner Werte, beispielsweise besonders kritischer Werte, durchgeführt werden.
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Bevorzugt
wird eine vom Gasbrenner erzeugte Temperatur gemessen, und unter
Verwendung der erstellten zweiten Kennlinie bei einem vorgegebenen
Parameter, der einer bestimmten Brennerleistung entspricht, wenigstens
ein Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung so lange verändert, bis
die vom Gasbrenner erzeugte Temperatur der aus der Kennlinie ermittelten
Solltemperatur entspricht. Bei einem Lastwechsel, beispielsweise
beim Übergang
von einem ersten in einen zweiten Betriebszustand, findet ein Regelungsvorgang
statt, bei dem insbesondere die Luft und/oder Gaszufuhr variiert wird,
bis die aus der zweiten Kennlinie für die entsprechende Brennerleistung
ausgelesene Solltemperatur erreicht wird.
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Die
erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung,
insbesondere ein Gasbrenner, ist zur Durchführung der oben genannten Einstellvorgänge angepasst.
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Insbesondere
weist die Feuerungseinrichtung einen Temperatursensor im Wirkungsbereich der
Brennerflamme der Feuerungseinrichtung auf. Der Temperatursensor
kann dabei im Flammenkern, am Flammenfußpunkt, an der Flammenspitze,
jedoch auch in einiger Entfernung von der Flamme, beispielsweise
am Brennerblech selbst, angeordnet seien.
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Außerdem weist
die Feuerungseinrichtung bevorzugt ein Gasventil mit einem Stellglied,
insbesondere mit einem Schrittmotor, einer pulsweitenmodulierten
Spule oder mit einer durch eine elektrische Größe gesteuerten Spule, auf.
Da die Feuerungseuinrichtung insbesonders für den elektronischen Verbund
geeignet ist, können
die genannten Ventile, die einfach und präzise betätigbar sind, eingesetzt werden.
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Die
Feuerungseinrichtung kann wenigstens einen Massenstromsensor und/oder
Volumenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro
Zeiteinheit zugeführten
Luftmenge und/oder der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Brennstoffmedium
und/oder der Menge des zugeführten
Gemisches aus Luft und Brennstoffmedium aufweisen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 eine
Feuerungseinrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine
Kennlinie der Feuerungseinrichtung;
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3 eine
weitere Kennlinie der Feuerungseinrichtung.
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1 zeigt
einen Gasbrenner, bei dem ein Gemisch aus Luft L und Gas G vorgemischt
und verbrannt wird.
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Der
Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den
Verbrennungsluft L angesaugt wird. Ein Massenstromsensor 2 misst
den Massenstrom der von einem Gebläse 9 angesaugten Luft
L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass in seiner
Umgebung eine möglichst
laminare Strömung erzeugt
wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der Massenstromsensor
in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung eines Laminarelements
angeordnet werden.
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Mittels
eines Ventils 3, beispielsweise eines pulsweitenmodulierten
oder elektronisch gesteuerten Ventils, das z.B. mit einem Stellglied
mit Schrittmotor ausgestattet ist, kann die Luftzufuhr zu einem
Mischbereich 8 gesteuert wer den. Da der Brenner nach dem
Prinzip des elektronischen Verbunds geregelt wird, sind derartige
kostengünstige
und zuverlässige Ventile
einsetzbar.
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Für die Gaszufuhr
ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung
angeschlossen ist. Das Gas strömt
während
des Betriebs des Gasbrenners durch den Abschnitt 4, in
dem sich ebenfalls ein Massenstromsensor 5 befindet.
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Durch
ein Ventil 6, das wie das Ventil 3 ein elektronisch
gesteuertes Ventil sein kann, strömt das Gas durch eine Leitung 7 in
den Mischungsbereich 8. Im Mischungsbereich 8 findet
eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator
des Gebläses 9 wird
mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft
L als auch das Gas G anzusaugen.
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Die
Ventile 3 und 6 sind so eingestellt, dass bei
Berücksichtigung
der übrigen
Betriebsparameter, beispielsweise der Drehzahl des Ventilators,
ein vorgegebenes Luft-Gas-Verhältnis in
den Mischbereich 8 gelangt. Das Luft-Gas-Verhältnis soll
dabei so gewählt
sein, dass eine möglichst
saubere und effektive Verbrennung stattfindet.
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Über eine
Leitung 10 strömt
das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum
Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13,
die eine vorgegebene Wärmeleistung
abgeben soll. Der Wirkungsgrad des Gasbrenners hängt vom Aufbau des Geräts, aber
auch von der Zusammensetzung des Luft-Gas-Gemisches ab.
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Am
Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise
ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird
eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung des nachfolgend beschriebenen
Einstellvorgangs zur Bestimmung des optimalen Mischungsverhältnisses zwischen
Luft und Brenngas verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der
Temperatursensor 12 an einer Oberfläche des Brennerteils 11 angeordnet.
Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich
der Flamme 13 anzuordnen. Die Referenztemperatur des Thermoelements
wird an einer Stelle außerhalb
des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der
Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
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Eine
nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des
Luft- und/oder Gasstroms erhält
Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und von den Massenstromsensoren 2 und 5 und gibt
Steuersignale an die Ventile 3 und 6 sowie an den
Antrieb des Gebläses 9 ab.
Die Öffnung
der Ventile 3 und 6 und die Drehzahl des Ventilators
des Gebläses 9 werden
so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr
ergibt.
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Die
Steuerung erfolgt dabei durch Durchführung der nachfolgend beschriebenen
Schritte. Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen Speicher zum
Abspeichern von Kennlinien bzw. von Sollwerten sowie eine entsprechende
Datenverarbeitungseinheit auf, die zur Durchführung der Schritte eingerichtet
ist.
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Anhand
der in der 2 dargestellten Kennlinie soll
die Feuerungseinrichtung näher
beschrieben werden.
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In 2 ist
die Temperatur in Abhängigkeit vom
Mischungsverhältnis λ zwischen
der dem Gasbrenner zugeführten
Luftmenge und der dem Gasbrenner zugeführten Gasmenge dargestellt. λ kann auch
als Verhältnis
der Massenströme
oder der Volumenströme
von Luft bzw. Gas ausgedrückt
werden.
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Zu
Beginn des Einstellvorgangs ist ein bestimmtes Mischungsverhältnis λs eingestellt.
Dieses Verhältnis
könnte
beispielsweise der zuletzt am Gasbrenner eingestellte Wert sein.
Im vorliegenden Fall liegt λs oberhalb eines Werts λ1, bei
dem sich ein Temperaturmaximum T1 ergibt.
Ausgehend von λs wird nun das Mischungsverhältnis gesenkt.
Dies geschieht beispielsweise, indem bei konstantem Luftmassenstrom
mL/t der Massenstrom an Brenngas mG/t erhöht
wird. Die Veränderung
des Gasstroms mG/t kann dabei beispielsweise
schrittweise unter Variation der Schritte des Schrittmotors eines
Gasventils durchgeführt
werden. Das Mischungsverhältnis wird
z.B. in gleichbleibenden Abständen Δλ1 schrittweise
abgesenkt. Bei jeder Absenkung um den Wert Δλ1 soll
eine Temperaturmessung durchgeführt
und ein Messpunkt erfasst werden. Bei der Messung wird ein Wert λ festgehalten
und mit dem Temperatursensor 12, der im Bereich der Brennerflamme
angeordneten ist, die Ist-Temperatur Tist bestimmt
und ebenfalls erfasst.
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Das
Mischungsverhältnis λ wird um
den Wert Δλ1 abgesenkt
und die entsprechende Temperatur erfasst. Dieser Vorgang wird so
lange wiederholt, bis ein Endwert λe erreicht
ist.
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Wie
in 2 dargestellt, liegt λe jenseits
des der maximalen Temperatur T1 entsprechenden
Werts λ1. Dies bedeutet, dass der zu maximalen Temperaturwert
T1 gehörende
Parameterwert λ1 während
des Vorgangs unterschritten und das Temperaturmaximum T1 überschritten
wurde.
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Im
Ergebnis erhält
man eine Anzahl von Wertepaaren aus gemessener Temperatur und entsprechendem λ-Wert bzw.,
die in einer Tabelle oder als Kennlinie, wie in 2,
dargestellt werden können.
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Im
nächsten
Schritt kann durch Auswahl des zum maximalen Temperaturwert T1 gehörenden
Wertepaars (λ1, T1) der Wert λ1 festgelegt
werden.
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Falls
die Schrittweite Δλ1 zunächst relativ groß gewählt wurde,
so dass das Wertepaar (λ1; T1) nicht mit
hinreichender Genauigkeit bestimmt werden konnte, kann ausgehend
von λe der Messvorgang in kleinen Schritten Δλ2 und
erneuter Überschreitung des
bisher ermittelten Maximalwerts λ1, vorzugsweise bis zu einem Wert λ1 + Δλ1,
wiederholt werden. Innerhalb des Bereichs λ1 – Δλ1 und λ1 + Δλ1 wird
sich nun ein genauerer Wert für λ1 ergeben.
Der Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis eine hinreichende Genauigkeit
bei der Bestimmung von λ1 erzielt wird. Auf diese Weise kann iterativ
das Wertepaar (λ1; T1) ermittelt
werden.
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Im
nächsten
Schritt wird der Zielwert λZ ermittelt. λZ entspricht
dem Luft-Gasverhältnis,
bei dem die effektivste Verbrennung und damit der größte Wirkungsgrad
für die
Verbrennung erreicht werden. λZ ergibt sich dabei aus λ1 durch
Multiplikation mit einem vorgegebenen Faktor, beispielsweise 1,
3.
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Es
ist bekannt, dass sich die maximale Temperatur T1 bei
einem stöchiometrischen
Verhältnis von
1,0 zwischen dem im Gas enthaltenen Brennstoffanteil und dem im
Gas und der Luft enthaltenen Sauerstoffanteil einstellt. Die effektivste
Verbrennung findet jedoch bei einem anderen Verhältnis, etwa bei λZ =
1,3*λ1, statt.
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Im
nächsten
Schritt wird das Verhältnis λZ am Gasbrenner
eingestellt. Als Messgrößen werden
dabei beispielsweise die im Luft- und Gaszufuhrabschnitt durch die
Massenstromsensoren gemessenen Massenströme für Luft und Gas verwendet. Der weitere
Betrieb der Anlage erfolgt, bis zu einer Neubestimmung von λZ,
in dieser Einstellung.
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Bei
einem Lastwechsel, das heißt,
bei einer erforderlichen Änderung
der Brennerleistung, werden die Schritte in der Regel erneut durchgeführt. Sie können auch
nach dem Einschalten des Gasbrenners durchgeführt oder in periodischen Abständen wiederholt
werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Gasbrenner
stets in einem optimalen Bereich betrieben wird.
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Um
zu verhindern, dass der Vorgang bei jedem Lastwechsel erneut durchgeführt werden
muss, kann eine zweite Kennlinie, wie in 3 gezeigt,
ermittelt werden. In 3 ist die Solltemperatur Tsoll die wie in 2 beschrieben
ermittelt wurde, in Abhängigkeit
vom Luftmassenstrom, der zur Brennerleistung proportional ist, dargestellt.
Der optimale Wert λZ stellt sich bei einer bestimmten Leistung
genau dann ein, wenn die im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessene
Temperatur Tist der aus der 3 ausgelesenen
Solltemperatur Tsoll entspricht. Eine Regelung
der Ist-Temperatur Tist auf den vorgegebenen
Sollwert Tsoll führt automatisch zu einer Einstellung
des optimalen Mischungsverhältnisses
bei vorgegebener Brennerleistung.
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Durch
die Verwendung der zweiten in 3 dargestellten
Kennlinie kann über
einen bestimmten Zeitraum, in dem sich vorzugsweise die Randbedingungen,
beispielsweise die Gasqualität,
nicht entscheidend ändern,
die Anlage ohne erneute Durchführung
der Schritte bei verschiedenen Leistungen, also in verschiedenen
Betriebszuständen,
betrieben werden. Allerdings sollte auch hier in periodischen Abständen oder
zu bestimmten Anlässen,
beispielsweise bei einer Wartung des Geräts, die Kennlinie erneut bestimmt
werden, um eine Anpassung an die verfügbare Gasqualität oder an
Instabilitäten
im System zu erreichen.
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In 3 ist
die Solltemperatur Tsoll in Abhängigkeit
vom Massenstrom der Luft mL/t, der einer
bestimmten Betriebsleistung entspricht, dargestellt. Wird die Last
bei Umstellung von einem Betriebszustand 1 in einen Betriebszustand 2,
entsprechend den Luftmassenströmen
mL1/t bzw. mL2/t,
umgestellt, so wird die Temperatur des Gasbrenners so geregelt, dass
sich die Temperatur Tsoll2 einstellt. Dazu
können verschiedene
Betriebsparameter, beispielsweise die Drehzahl des Ventilators des
Brennergebläses,
der Gaszufluss oder die Öffnung
des Luftzufuhrventils unter Durchführung eines Regelungsvorgangs,
verändert
werden. Insbesondere erfolgt die Nachregelung durch eine Abmagerung
bzw. Anfettung des Luft-Gasgemisches durch Betätigung des Gasventils 6.
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Statt
einer völligen
Neubestimmung der zweiten Kennlinie gemäß 3 können bei
Bedarf auch einzelne Werte bei bestimmten Leistungen erfasst werden,
und die bisher in der Kennkurve enthaltenen entsprechenden Werte
ersetzen. Es ist auch denkbar, die Kennlinie entsprechend einem
aktuell gemessenen Wert bei bestimmter Leistung insgesamt zu verschieben.
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Die
Feuerungseinrichtung stellt einen Betriebsmodus bereit, bei dem
eine saubere Verbrennung und damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad des
Gasbrenners erreicht wird.