DE202015101182U1

DE202015101182U1 - Brennwertkessel mit innovativem Gebläse

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Publication number: DE202015101182U1
Application number: DE201520101182
Authority: DE
Original assignee: Nidec Sole Motor Corp SRL
Current assignee: Nidec Sole Motor Corp SRL
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2025-03-11

Abstract

Heizkessel (1), insbesondere Brennwertkessel, mindestens mit: – einer Brennkammer (2); – einem Brenner (3); – einem Gebläse (4) mit einem von einem Motor (9) angetriebenen Flügelrad (10) zur Erzeugung und Zuführung eines Luft-Brennstoff-Gemischs zum Brenner; – Zufuhrkreisläufe (20) für Luft und Zufuhrkreisläufe (5) für Brennstoff; – Steuerungs- und Kontrollvorrichtungen (6) des Heizkessels und Steuerungs- und Kontrollvorrichtungen (11) des Gebläses; – Mittel zur Feststellung des Betriebsstatus des Heizkessels (1); dadurch gekennzeichnet, dass – das Gebläse (4) ein Gehäuse (7) umfasst, das aus einer Gebläseschnecke (7A) und einem Schneckenboden (7B) besteht, der einen erhabenen, hohlen und durchgehenden Sitz (7C) aufweist, in dem koaxial ein oder mehrere Wälzlager (8) oder äquivalente Vorrichtungen zum Halten einer Welle (9c) eines Rotors (9B) jenes Motors (9) befestigt sind; sowie, dass – als Motor (9) ein Dreiphasen-Elektromotor verwendet wird.

Description

Die zugrunde liegende Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel, vorzugsweise einen Brennwertkessel, und eine Methode zu dessen Regulierung.
Brennwertkessel mit hoher Effizienz ersetzen schrittweise herkömmliche Gasheizkessel und elektrische Warmwasserbereiter, was auf die hohe Effizienz der Brennwertkessel und die damit einhergehende beträchtliche Energieeinsparung zurückzuführen ist.
Bei den aktuell auf dem Markt verfügbaren Gebläsen für Brennwertkessel werden einphasige Elektromotoren eingesetzt. Dabei ist bekannt, dass einphasige Elektromotoren beträchtliche Vibrationen erzeugen, die sich auf die Trägerstruktur des Motors, auf das Gehäuse sowie allgemein auf die Gesamtstruktur der Kesselanlage übertragen. Um Geräuschbildung und langfristig auch Schäden sowohl am Gebläse als auch an den Strukturen des Kessels, an denen der Gebläse befestigt ist, zu vermeiden, ist der Einsatz von Verbindungselementen notwendig, die die erzeugten Vibrationen absorbieren können. Derartige Elemente zur Vermeidung einer Vibrationsübertragung sind in der Regel sehr komplex.
Eine Lösungsoption sieht den Einsatz mehrerer Dämpfungsmittel vor, beispielsweise in Form von Gummidichtungen, die die Trägerstruktur der Aktoren fest mit der Abdeckung des Gebläses verbinden. Diese Gummidichtungen müssen zudem eine elektrische Erdung zulassen, um die elektrostatische Aufladung sowie die Erzeugung von Funken und Lichtbögen, welche wiederum das durch das Gebläse strömende Brennmaterial entzünden könnten, zu vermeiden.
Ebenfalls unter dem Aspekt der Vorbeugung von Schädigungen, hervorgerufen durch nicht absorbierte Vibrationen, erfordern Gebläse gemäß dem Stand der Technik größere Abstände zwischen den Rändern der Gebläseschnecke und den Motorkomponenten. Die größeren Abstände erfordern zur Begrenzung der Undichtheiten den Einbau von Dichtungen. Diese Methode, d. h. der Einsatz von Dichtungen, kann aufgrund der Rotation des Flügelrads an der Ansaugseite des Gebläses nicht verwendet werden. Der Abstand zwischen Saugmund und Flügelrad muss an dieser Stelle angemessen groß sein, um Kollisionen infolge der durch den einphasigen Elektromotor erzeugten Vibrationen zu verhindern, wodurch sich die Gebläseleistung verschlechtert.
Die Komplexität dieser Dämpfungselemente führt sowohl bei der Herstellung der Bestandteile als auch bei deren Montage zu höheren Kosten. Auf einem wettbewerbsstarken Markt wie im Fall von Heizungsanlagen stellt der Kostenanstieg einen enormen Nachteil für den betreffenden Wettbewerber dar.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beim Stand der Technik auftretenden Nachteile durch die Entwicklung eines Gebläses und eines mit diesem Gebläse ausgestatteten Heizkessels mit innovativen Lösungen für einfachere und kostengünstigere Konstruktionen zu überwinden.
Ein wichtiges Ziel im Rahmen der oben dargelegten Aufgabe ist die Verbrauchsoptimierung durch die Anpassung der Betriebsparameter des Heizkessels und des Gebläses an die Betriebsbedingungen.
Diese Aufgabe und die oben erläuterten Zielsetzungen sowie weitere Ziele, die in der folgenden Beschreibung augenscheinlich werden, lassen sich mit Hilfe eines Heizkessels, insbesondere eines Brennwertkessels, mit einem Gebläse nach Anspruch 1 erreichen.
Weitere Merkmale und die Vorteile, die mit einem erfindungsgemäßen Heizkessel erreicht werden können, werden in der nachstehenden Beschreibung einer besonderen, aber nicht ausschließlichen, beispielhaft dargestellten Ausführungsform unter Bezugnahme auf folgende Figuren deutlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Heizkessels und seiner Hauptbestandteile;
2A und 2B zwei Schnittzeichnungen einer Ausführung des erfindungsgemäßen Gebläses in Draufsicht und in perspektivischer Darstellung;
3A und 3B zwei Schnittzeichnungen eines nach dem Stand der Technik gebauten Gebläses in Draufsicht und in perspektivischer Darstellung;
4 ein Ablaufdiagramm, das die logische Abfolge der Vorgänge in einem erfindungsgemäßen Heizkessel darstellt; und
5 ein Druck-/Durchfluss-Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Baugruppe Motor/Gebläse und Heizkessel.
1 enthält eine schematische Darstellung eines Heizkessels 1 mit einer Brennkammer 2, einem Brenner 3, einem Zentrifugalgebläse 4, das die Verbrennungsluft bzw. das Gemisch aus Verbrennungsluft und gasförmigem Brennstoff in den Brenner 3 leitet, den Zufuhrleitungen 5 für den Brennstoff, einer Leitung 20 zur Luftzirkulation vom Gebläse 4 zum Brenner 3 und anschließend zum Auslass sowie einem Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels, das den Heizkessel 1 entsprechend den Eingaben eines Bedieners an der Bedieneinheit 12, die mit dem Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels elektrisch verbunden ist, einschaltet.
2A und 2B zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des Zentrifugalgebläses 4. In den Figuren ist ein Gehäuse 7 aus einer Gebläseschnecke 7A und einem Schneckenboden 7B zu sehen.
Der Schneckenboden 7B weist im Mittelteil eine Bohrung auf, auf deren Umfang einstückig ein erhabener Sitz 7C ausgebildet ist, der ein oder mehrere Wälzlager und/oder Gleitlager aufnehmen kann.
Die zur Bohrung gerichtete Innenfläche dieses erhabenen Sitzes 7C ist so geformt, dass sie mehrere Wälzlager 8, beispielsweise in Form von als Kugellagern, oder äquivalente mechanische Vorrichtungen aufnehmen kann.
In diesen Wälzlager 8 sitzt eine Welle 9C eines Elektromotors 9. Diese Welle 9C überträgt die vom Motor 9 erzeugte Drehbewegung auf das am Wellenende befestigte Flügelrad 10. Dieses Flügelrad 10 sitzt im Inneren des Gehäuses 7.
Am anderen Ende der Welle 9C gegenüber dem Flügelrad ist ein Rotor 9B des Elektromotors 9 befestigt, der mit einem Ausgleichsring 9D versehen werden kann.
Mit Hilfe geeigneter Halterungsvorrichtungen, zum Beispiel Schrauben 13, ist ein Ständer 9A des Elektromotors 9 am Boden 7B der Gebläseschnecke außen am Gehäuse befestigt.
Für den Antrieb des Gebläses 4 wird erfindungsgemäß ein Dreiphasen-Elektromotor 9 verwendet. Das von einem Dreiphasen-Elektromotor erzeugte elektromagnetische Feld ist von Natur aus rotierend. Wie bereits vorstehend erwähnt, verwenden die nach dem Stand der Technik konstruierten Gebläse (3A und 3B) einphasige Motoren, deren elektromagnetische Felder ein pulsierendes Feld und daraus resultierende unausgeglichene Kräfte erzeugen, die zur Eindämmung der verursachten Vibrationen den Einbau von zusätzlichen Komponenten wie zum Beispiel Dämpfungselementen 14 erforderlich machen.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Dreiphasen-Motors treten keine unausgeglichenen Kräfte auf; demzufolge werden auch keine Vibrationen erzeugt und alle Bestandteile des Gebläses 4 können fest miteinander verbunden werden.
Nach dem Stand der Technik ist aufgrund der notwendigen Entkoppelung des Motorgehäuses von der Struktur 7B und vom rotierenden Teil 9A der Einsatz von weiteren Dichtungselementen 16 zur Verringerung von Undichtheiten unerlässlich.
Die Verwendung eines Gebläses 4, das von einem Dreiphasen-Elektromotor 9 betrieben wird, birgt darüber hinaus weitere Vorteile.
Der Dreiphasen-Motor 9 verfügt über ein Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors, das dessen Betrieb entsprechend dem vom Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels übermittelten Wärmeleistungsbedarf in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise regelt.
Des Weiteren ist das Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels elektrisch mit

– der Bedieneinheit 12, über die der Nutzer die Betriebsparameter des Heizkessels 1 aktiviert bzw. reguliert, und
– den Sensoren 17 zur Feststellung der vom Brenner 3 durch die Verbrennung des vom Gebläse 4 zugeführten Luft-Brennstoff-Gemischs erzeugten Wärmeleistung (WL)

Im Einzelnen umfasst das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors eine Verarbeitungseinheit 11A sowie einen programmierbaren Speicher 11B.
Dieser programmierbare Speicher 11B enthält sowohl Leistungsmerkmale betreffend „Druck/Durchfluss” des Gebläses 4 in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Dreiphasen-Elektromotors 9 sowie gegebenenfalls weitere für die Verarbeitungseinheit 11A notwendige Informationen.
Die im programmierbaren Speicher 11B enthaltenen Leistungsmerkmale „Druck/Durchfluss” können auf unterschiedliche Arten gespeichert werden, zum Beispiel als mathematische Funktionen zur Berechnung des entsprechenden Wertepaares „Durchfluss Q/Förderhöhe P” oder als Tabellen mit den zuvor berechneten Wertepaaren Q und P.
Hier sei unmissverständlich angemerkt, dass jede dieser Funktionen/Tabellen den Betrieb des Gebläses einschließlich des Motors bei einer bestimmten jeweiligen Geschwindigkeit darstellt und insofern idealerweise mehrere verschiedene Funktionen oder Tabellen gespeichert werden, die jeweils für eine bestimmte Betriebsart des Gebläses bezeichnend sind.
Die Leistungsmerkmale „Druck/Durchfluss” können sowohl bei der Montage als auch im Rahmen von späteren Kundendienstarbeiten nach den Zusammenbau- und Installationsmaßnahmen gespeichert werden.
Die Verarbeitungseinheit 11A umfasst die Verfahren und Informationen, die sowohl zur Verarbeitung eines vom Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels empfangenen Befehls als auch zur entsprechenden Auswahl der im programmierbaren Speicher 11B enthaltenen Leistungsmerkmale „Druck/Durchfluss” des Gebläses 4 nötig sind. Zudem werden in dieser Verarbeitungseinheit 11A auch Rechenfunktionen und Daten gespeichert, mit denen die Lastkurve der Leitung außen am Gebläse 4 auf Basis eines in diese Funktionen eingerechneten Wertepaares „Durchfluss Q/Förderhöhe P” festgestellt werden kann.
Folglich kennt das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors die Leistungsmerkmale des Gebläses 4, die im programmierbaren Speicher 11B hinterlegt sind, es weiß jedoch nicht, mit welcher Geschwindigkeit der Motor 9 laufen muss, um den vom Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels gemeldeten Wärmeleistungsbedarf WLB zu erzeugen.
Als Lösung für diesen Nachteil wendet das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors das nachstehend beschriebene Verfahren an, das in drei logische Etappen unterteilt ist:

i. Ermittlung des Wärmeleistungsbedarfs WLB des Heizkessels 1;
ii. Durch indirekte Messung Ermittlung der (anfangs noch unbekannten) Lastkennzahlen des externen Kreislaufs;
iii. Steuerung des Betriebs des Gebläses 4 auf Basis des Wärmeleistungsbedarfs WLB des Heizkessels sowie der Lastkurve der Leitung außerhalb des Gebläses 4.

Folgende zusammenhängende Operationen werden durchgeführt (4):

a) Das Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels erhält vom Nutzer oder infolge interner Berechnung (S101) die Information über den Wärmeleistungsbedarf WLB und ermittelt (S102) über eigens dazu vorgesehene Sensoren 17 die aktuell erzeugte Wärmeleistung WL. Danach werden die Werte WL und WLB verglichen (S103); falls das Ergebnis TP = TPR lautet, wird das Verfahren an dieser Stelle (S104) abgeschlossen; andernfalls wird wie folgt weiterverfahren:
b) Das System 6 verarbeitet (S105) ein dem Wärmeleistungsbedarf WLB entsprechendes Spannungssignal V₁ und übermittelt es (S106) an das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors;
c) Das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors überprüft (S107), ob es die Lastkurve h(Q, P) der Luftzirkulationsleitung, in die es integriert ist, kennt; falls die Information bekannt ist, geht es weiter zu Schritt g), andernfalls wird der logische Abschnitt ii) über die Schritte d) und f) [sic; „d) bis f)”] zum Abschluss gebracht:
d) Das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors startet (S108) den Motor 9 in Abhängigkeit vom Spannungssignal V₁ mit einer ersten Geschwindigkeit N₁, misst den Strom I₁ der vom Motor 9 während des Betriebs aufgenommen wird, und berechnet die vom Motor 9 aufgenommene Leistung W₁ = I₁ × V₁ (S109);
e) Das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors berechnet (S110) auf Basis der Geschwindigkeit N₁ anhand der Formeln Q = f(W, N) und P = g₁(Q, N) den Durchfluss Q₁ sowie den Druck P₁ bzw. entnimmt diese Werte den im programmierbaren Speicher 11B enthaltenen Tabellen für diese Geschwindigkeit N₁ und identifiziert den Punkt Q₁, P₁ auf der in 5 mit „1” gekennzeichneten Kurve und
f) ermittelt (S111) die (in 5 mit „2” gekennzeichnete) Lastkurve h(Q, P) der Anlage, in die der Heizkessel 1 integriert ist, entsprechend den in der Verarbeitungseinheit 11A gespeicherten Verfahren unter Berücksichtigung der bekannten Werte Q₁, P₁;
g) Das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors berechnet (S112) den Betriebspunkt Q*, P* auf der Lastkurve h(Q, P) der Anlage, wobei Q* der Durchflusswert ist, der dem vom Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels übermittelten Wärmeleistungsbedarf WLB entspricht;
h) Unter der Maßgabe, dass P* und Q* bekannt sind, berechnet und bestimmt das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors nach den Formeln oder entsprechend den in 11B gespeicherten Tabellen eine zweite Geschwindigkeit N₂ (S113), d. h. eine neue Drehzahl, sodass Q* = f(W₁, N₂) und P* = g₁(Q*, N₂) sind (der auf der Kurve in 5 mit „4” gekennzeichnete Punkt (Q*, P*));
i) Das Steuerungs- und Kontrollsystem 11 des Motors bringt den Motor 9 auf die Drehzahl N₂ (S114) und der Heizkessel beginnt mit der Erzeugung der Wärmeleistung WL (S115), indem er die durch das Gebläse beförderte Menge an Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt;
j) Das Kontrollverfahren kehrt zu Punkt a) (S102) zurück.

Aus dem oben beschriebenen Verfahren des Kontrollsystems ergibt sich ein Vorteil, der dem Einsatz des Dreiphasen-Elektromotors 9 zu verdanken ist; der Motor 9 kann als Messinstrument eingesetzt werden, das den Betriebsstatus und/oder die Leistungsfähigkeit des Gebläses sowie insbesondere die Lastkurve der Anlage, in welche der Heizkessel 1 integriert ist, überwacht.
Die Wahl, sich eines Dreiphasen-Elektromotor 9 zu bedienen, birgt, wie bereits erwähnt, den weiteren Vorteil, dass keine den Motoraufbau komplizierenden Dämpfungsmaßnahmen notwendig sind, und vergleichbare, wenn nicht sogar bessere Leistungen gegenüber einphasigen Motoren erreicht werden, was mit einer Produktionskostenersparnis einhergeht.
Ein weiterer, dritter Vorteil beim Einsatz eines Dreiphasen-Elektromotors 9 ist die Möglichkeit, die Funktion des Gebläses 4 mit Hilfe der Steuerlogik 11A des Steuerungs- und Kontrollsystems 11 des Motors in Abhängigkeit der vom Steuerungs- und Kontrollsystem 6 des Heizkessels übermittelten Leistungskennzahlen anzupassen.
Selbstverständlich ist diese Erfindung einer Vielzahl von Anwendungen, Veränderungen oder Varianten zugänglich, die wiederum stets in den durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfang fallen.
Außerdem könnten die für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung entsprechend den speziellen Anforderungen am besten geeigneten Materialien und Vorrichtungen sowie die am besten geeigneten Formen und Abmessungen der Einzelkomponenten verwendet werden.

Claims

Heizkessel (1), insbesondere Brennwertkessel, mindestens mit: – einer Brennkammer (2); – einem Brenner (3); – einem Gebläse (4) mit einem von einem Motor (9) angetriebenen Flügelrad (10) zur Erzeugung und Zuführung eines Luft-Brennstoff-Gemischs zum Brenner; – Zufuhrkreisläufe (20) für Luft und Zufuhrkreisläufe (5) für Brennstoff; – Steuerungs- und Kontrollvorrichtungen (6) des Heizkessels und Steuerungs- und Kontrollvorrichtungen (11) des Gebläses; – Mittel zur Feststellung des Betriebsstatus des Heizkessels (1); dadurch gekennzeichnet, dass – das Gebläse (4) ein Gehäuse (7) umfasst, das aus einer Gebläseschnecke (7A) und einem Schneckenboden (7B) besteht, der einen erhabenen, hohlen und durchgehenden Sitz (7C) aufweist, in dem koaxial ein oder mehrere Wälzlager (8) oder äquivalente Vorrichtungen zum Halten einer Welle (9c) eines Rotors (9B) jenes Motors (9) befestigt sind; sowie, dass – als Motor (9) ein Dreiphasen-Elektromotor verwendet wird.
Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz (7C) des Gebläses (4) einstückig mit dem Schneckenboden (7B) gefertigt ist.
Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreiphasen-Elektromotor (9) über ein Steuerungs- und Kontrollsystem (11) des Motors verfügt, welches die Betriebsparameter des Motors (9), unter anderem die Stromaufnahme, misst.
Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Kontrollsystem (6) des Heizkessels mit dem Steuerungs- und Kontrollsystem (11) des Motors elektrisch verbunden ist und an dieses ein wärmeleistungsbedarfabhängiges Einschaltsignal übermittelt.
Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Kontrollsystem (11) des Motors folgende Teile umfasst: a) Speicher (11B) zur Erfassung einer oder mehrerer Leistungskennzahlen zu „Druck/Durchfluss” des Dreiphasen-Elektromotors (9) und b) ein Verarbeitungssystem (11A) zur Berechnung und/oder Identifikation einer der im Speicher (11B) enthaltenen Leistungskennzahlen „Druck/Durchfluss”.
Heizkessel nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Kontrollsystem (6) des Heizkessels entweder manuell bedient werden kann oder im Automatikmodus arbeitet, bei dem das Steuerungs- und Kontrollsystem (6) des Heizkessels eine erzeugte Wärmeleistung WL prüft, mit dem Wärmeleistungsbedarf WLB vergleicht und ein entsprechendes Einschaltsignal an das Steuerungs- und Kontrollsystem (11) des Motors schickt.