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Verfahren und Regelanlage zur Steuerung der Luft- und Brennstoffzufuhr
von Industriebrennern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung
der Luft- und BrennstoffzuSuhr von Industriebrennern sowie eine Regelanlage zur
Anwendung dieses Verfahrens und betrifft eine besonders einfache Regelung der Luft-
und Brennstoffzutuhr zu den Brennern.
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Im Bereich des Industrieofenbaues besteht häufig die Notwendigkeit,
die den Brennern zugeführten Luft- und Brennstoffmengen in der Weise zu steuern,
dass sowohl ein optimales Regelverhalten der in Temperaturregelkreisen als Stellglied
eingesetzten Brenner, als auch bestimmte Anforderungen an das Verbrennungsverhalten
erfüllt werden. Hinsichtlich d-es Stellverhaltens muss die Forderung gestellt werden,
dass eine stufenlose Verstellung der Heizleistung bei gleichbleibend guter Verbrennung
und leichter Steuerbarkeit,
z.B. mit Hilfe der an elektronischen
Reglern vorhandenen Ausgangssignale, möglich sein muss. Eine verzögerungsfreie Änderung
bei linearer Abhängigkeit zwischen Stellsignal und Brennerleistung ist hierbei von
Vorteil.
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Hinsichtlich des Brennverhaltens ist zu fordern, dass ein beliebig
veränderbares Verhältnis von Brennstoff und Luft über den gesamten Leistungsbereich
des Brenners konstant eingehalten wird. Die Möglichkeit einer Veränderung dieses
Verhältnisses mit Hilfe eines Steuersignales ist ebenfalls von Vorteil.
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Die zur Zeit auf dem Markt beiindlichen Verfahren zur Steuerung der
Luft- und Brennstoffzufuhr an Industriebrennern erfüllen die genannten Forderungen
nur unvollkommen.
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Zum grossen Teil sind unstetige Regelanlagen im Einsatz, bei denen
die Luft- und Brennstoffzufuhr ULer Magnetventile durch schaltende Regler gesteuert
wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass ein optimales Regelverhalten nur
in einem sehr schmalen Tamperaturbereich möglich ist und bei grösseren Änderungen
des Temperatursollwertes, welches insbesondere in der Stahlindustrie häufig notwendig
sind, um z.B. Glühöfen an unterschiedliche Temperaturprofile anzupassen, entweder
eine starke Verschlechterung des Regelverhaltens erfolgt oder aber einen manuellen
Eingriff durch NachJustierung der Drosselorgane notwendig sind. Abgesehen davon
ist bei unstetigen Regelverfahren durch die Arbeitsbewegung die zu erreichende Genauigkeit
prinzipiell begrenzt.
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Neben unstetigen Regelanlagen werden teilweise auch stetigähnliche
hnlag mit Motorstellventilen und Schrittreglern verwendet. Der Nachteil dieser Stellorgane
liegt einmal in dem verhältnismässig grossen Aufwand für das Stellorgan
selbst
so dass grösstenteils mehrere Brenner an ein gemeinsames Stellventil angeschlossen
werden.
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Dies führt insbesondere im unteren Leistungsbereich zu einer ungleichmässigen
Verteilng der LuSt- und Brennstoffmengen an die einzelnen Brenner. Wird der verhältnismässig
hohe Aufwand in Kauf genommen, Jede Brenner mit je einem Stellventil für Luft und
Brennstoff auszurüsten, so besteht eine gewisse Schwierigkeit darin7 zu gewährleisten,
dass alle Stellventile einer Brennergruppe - und grösstenteils werden Brennergruppen
gemeinsam von einem Regler betrieben - exakt die gleiche Stellung aufweisen. Wird
dies nicht gewährleistet, was ohne grösseren technischen Aufwand nicht möglich ist,
so treten prinzipiell die gleichen Probleme auf, wie bei einer gemeinsamen Steuerung
mehrerer Brenner durch ein Stellventil.
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Die Steuerung von Brennern mit Hilfe von Stellventilen hat hinsichtlich
des Brennverhaltens den Nachteil, dass die Geschwindigkeit der Brenngase mit kleiner
werdender Brennerleistung abnimmt. Damit ist die Durchwirbelung des Brennraumes
und damit die Gleichmässigkeit der Ofenatmosphäre von der momentanen Brennerleistung
abhängig und insbesondere bei kleinen Brennerleistungen wesentlich schlechter als
bei grossen. Weiterhin besteht eine technische Schwierigkeit darin, unabhängig von
der Leistung ein bestimmtes Verhältnis von Luft und Gas reproduzierbar und einstellbar
zu erzielen.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung
der Luft- und Brennstoffzufuhr von Industriebrennern zu schaffen, welches bei relativ
niedrigem apparativem Aufwand die gestellten Anforderungen zuverlässig erfüllt und
gleichzeitig die genannten Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden.
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Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass einem oder mehreren
Brennern je ein in der Brennstoff- und Luftzuführungsleitung eingesetztes Absperrventll
zugeordnet ist, die periodisch mit der gleichen Frequenz geöffnet werden, wobei
die Öffnungsfrequenz in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistung eingestellt
wird.
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Die beiden Ventile werden somit periodisch gemeinsam für eine gewisse
Dauer geöffnet. Solange das Brennverhalten konstant sein soll, bleibt die Öffnungszeit
der Ventile bzw. das Verhältnis der Öffnungszeiten von Brennstoff- und Luftventil
konstant. Die Heizleistung des Brenners ist dann proportional der Öffnungsfrequenz
der Ventile.
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Durch Verstellung der bffnungsfrequenz wird damit zunächst eine stufenlose
Verstellbarkeit der Heizleistung bei relativ niedrigem Aufwand erreicht. Die Theorie
der Regelung besagt, dass eine diskontinuierliche Brennstoffzugabe regelungstechnisch
dann als stetig angesehen werden kann, wenn der Zeitraum zwischen zwei Zugaben klein
gegenüber den auftretenden Zeitkonstanten im Regelkreis ist. Da die thermischen
Verzögerungen in den Industrieöfen zum Teil sehr gross ist, bei speziell für diesen
Zweck entwickelten Ventilen die Öffnungsfrequenz jedoch bis in die Grössenordnung
von 5 Hz gebracht werden kann, wird nicht nur eine kontinuierliche Verstellbarkeit
des Stellgliedes, sondern auch ein quasi stetiges Regelverhalten erreicht. Durch
Verwendung geeigneter Impulsgeber kann diese Verstellung auch praktisch verzögerungsfrei
erfolgen, so dass die z.B. bei Stellventilen vorhandenen verhältnismässig langen
Stellzeiten bei dem erfindungsgemässen Verfahren nicht auftreten.
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Hinsichtlich der Verbrennung hat das erfindungsgemässe Verfahren den
Vorteil, dass des weiteren das Verhältnis von Luft
und Brennstoff
auf einfache Weise durch Konstanthaltung beispielsweise der Brennstoffimpulsdauer
und gleichzeitiger Variation der Luftimpulsdauer eingestellt werden kann.
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Dies ist ohne Schwierigkeit auch mit einem externen Steuersignal möglich.
Ist ein bestimmtes Verhältnis eingestellt, so bleibt dies unabhängig von der Brennerleistung
über den gesamten Leistungsbereich konstant, da die Impulsbreite unabhängig von
der Impulsfrequenz ist. Soll eine bestimmte Ofenatmosphäre automatisch eingehalten
werden, so ist es ohne Schwierigkeiten möglich, einzelne Brenner, Brennergruppen
oder auch mehrere Regelgruppen gemeinsam hinsichtlich des Verhältnisses von Luft-
und Brennstoffimpulsdauer durch einen Regler z.B. in Abhängigkeit von der Abgasanalyse
zu steuerns Hinsichtlich des Brennverhaltens selbst hat das Verfahren ebenfalls
Vorteile: Dadurch, dass die Öffnungsdauer nur einen gewissen Prozentsatz der Periodendauer
beträgt, sind die Brenngasgeschwindigkeiten während des @@pulses höher als bei kontinuierlicher
Brennstoff- und Luftzugabe. Dadurch wird eine bessere Durchwirbelung des Brennraumes
und damit eine grössere Gleichheit der Brennraumtemperaturen erreicht.
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Weiterhin wird durch periodische Unterbrechung der Grenzschicht der
aufzuheizenden Gutsoberfläche ein besserer Wärmeübergang erreicht. Ein weiterer
Vorteil ist, dass diese hohen Gasgeschwindigkeiten auch bei niedriger Heizleistung
des Brenners erhalten bleiben. Ferner ist gewährleistet, dass zumindest im Normalbetrieb
dafür gesorgt ist, dass nicht längere Zeit vergeht, ohne dass eine Durchwirbelung
des Brennraumes stattfindet.
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Da der Druck auf den Versorgungsleitungen fUr Luft und Brennstoff
zumindest näherungsweise konstant ist, ist auch eine Versorgung mehrerer Brenner
mit einem gemeinsamen Magnotventil möglich, da unabhängig von der Brennerleistung
die Druckverhältnisse am Brenner selbst während des Impulses konstant bleiben und
etwa auftretende Unterschiede durch eine einmalige Korrektur mit Hilfe von Drosselorganen
beseitigt werden können.
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Da bei diskontinuierlicher Brennstoffzufuhr selbstzündende Brenner
bei jedem Impuls neu gezündet werden müssen, ist es sinnvoll, unabhängig von dem
gewünschten Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft, im Augenblick der Zündung für
den Brenner ein optimal zündendes Gemisch beim Beginn der Verbrennung zu erhalten.
Hierzu kann es notwendig sein, eines der beiden Ventile (Luft oder Brennstoff) um
einen bestimmten Betrag verzögert gegenüber dem anderen zu öffnen.
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Auch dies ist ohne grösseren technischen Aufwand in der Weise möglich,
dass zwischen den Öffnungszeitpunkten der den Brennstoff- und Luftzuführungsleitungen
zugeordneten Absperrventilen eine einstellbare Zeitverzögerung liegt, so dass ein
einstellbarer stetig veränderbarer Luft- oder Brennstoffvorlauf erreicht wird.
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Bei einigen Brennertypen hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Brennstoffimpulsdauer
symmetrisch zu der grösseren, variablen Luftimpulsdauer anzuordnen. Dies kann des
weiteren dadurch erreicht werden, dass man die Verzögerungszeit zwischen dem Öffnungszeitpunkt
des Luftventils und dem des Gasventils in Abhängigkeit von der Luftimpulsdauer verändert.
Bei einem elektronischen Impulsgenerator ist dies auf einfache Weise dadurch möglich,
dass man die gleiche Steuerspannung, welche
zur Veränderung der
Luftimpulsdauer verwendet wird, einem Zeitverzögerungsglied zuführt, welches z.B.
ene Verzögerung proportional dieser Spannung ereugt.
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Neben dem Verfahren der Inpulsfrequerizsteuer'ng wäre noch das Verfahren
der Impulsbreitensteuerung denkbar. Bei ihm wird die Öffnungsfrequenz konstant gehalten9
während die Öffnungsdauer in Abhängigkeit von der gewünschten Brennerleistung verstellt
wird. Dieses Verfahren hat jedoch gegenüber den erfindungsgemässen Verfahren den
Nachteil, dass das Brennverhalten wiederum leistungsabhängig wird, und dass es eine
bestimmte Schwierigkeit bildet, ein bestimmtes Verhältnis von Brennstoff und Luft
über den gesamten Leistungsbereich einzuhalten. Dies wird insbesondere bei kleinen
Brennerleistungen dadurch bewirkt, dass die Anzugszeit des Magnetventils als Nichtlinearität
in die Kennlinie eingeht.
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Eine Regelanlage zur Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale zweier Regler, die mit im Brennraum
angeordneten Messfühler für Temperatur und Zusammensetzung der Ofenatmosphäre verbunden
sind, einem elektronischenSteuergerät zugeleitet werden, das aus einem Steuerteil
für Luft und aus einem Steuerteil für den Brennstoff besteht, mittels denen die
Absperrventile für die Luft und den Brennstoff betätigbar sind.
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Das Steuergerät ist zweckmässigerweise hierbei mit einem Spannungsfrequenzwandler,
dem das Ausgangssignal des Temperaturreglers zugeleitet wird, versehen, mittels
dem das z.B. als Gleichspannung ausgebildete Ausgangssignal des Temperaturreglers
in eine frequenzproportionale Impuls serie umgewandelt und dem Steuergeräteteil
für Luft zugeleitet wird.
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Der Steuergeräteteil für Luft ist zweckmässigerweise aus einer steuerbaren
monostabilen Kippstufe, durch die ein
rechteckiger Impuls gebildet
wird, und einer Leistungsstufe herzustellen, in der der rechteckige Impuls verstärkt
und von dieser den in der Luftzuführungsleitung eingesetzten Absperrventil zugeführt
wird. Der Steuergeräteteil für den Brennstoff dagegen sollte aus einer monostabilen
Kippstufe, die einen um eine bestimmte Zeitdauer verzögerten Impuls abgibt, einer
diesen aufnehmenden monostabilen Kippstufe, die einen rechteckigen Impuls für das
in die Brennstoffzuführungsleitung eingesetzte Absperrventil bildet und einen nachgeschalteten
Leistungsverstärker bestehen, in den der rechteckige Impuls verstärkt und von diesem
dem in die Brennstoffzuführungsleitung eingesetzten Absperrventil zugeführt wird.
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Des weiteren ist es angebracht, das Luft-Brennstoffverhältnis an der
monostabilen Kippstufe des Steuergeräteteils für Luft durch Variation der Luftimpulsdauer
einzustellen, das Zündverhalten dagegen an der Verzögerungskippstufe durch einen
Luftvorlauf.
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Zur automatischen Steuerung der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre
kann ferner das Ausgangssignal des Reglers für Luftatmosphäre der monostabilen Kippstufe
des Steuergeräteteils für Luft zugeführt werden.
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Weitere Einzelheiten sind der in der Zeichnung dargestellten Regelanlage
zur Steuerung der Luft- und Brennstoffzufuhr von Industriebrennern zu entnehmen,
die nachfolgend im einzelnen erläutert ist.
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Mit 1 ist hierbei ein Brennraum bezeichnet, in dem vier Brenner 2
feuern. Die Brenner 2 werden jeweils paarweise von einer gemeinsamen Luftleitung
3 und Brennstoffzuleitung 4 gespeist. In den Zuleitungen 3 und 4 zu den einzelnen
Brennern
2 liegen Drosselventile 5, durch welche bei unterschiedlich
langen Zuleitungen zu den einzelnen Brennern 2 die unterschiedlichen Rohrleitungswiderstände
ausgeglichen werden können, so dass.jedem Brenner die gleiche Luft- und Brennstoffmenge
zugeführt wird.
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In der gemeinsamen Brennstoffzuführungsleitung 4 liegt des weiteren
als Steuerorgan ein Magnetventil 7, ebenso in der gemeinsamen Luftzuführungsleitung
3 ein Magnetventil 6. Die Brennstoffmagnetventile 6 sind an die Hauptbrennstofflei
tung 9 angeschlossen, die Luftmagnetventile 7 an die Hauptluftleitung 8. Der Druck
auf den Hauptversorgungsleitungen 8 und 9 sollte zumindest näherungsweise konstant
gehalten werden.
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Im Brennraum 1, in welchen die Brenner 2 feuern, befinden sich je
ein Messfühler für die Temperatur 10 und für die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre
11, welche mit den beiden zugehörigen Reglern für Temperatur 12 und für Ofenatmosphäre
13 verbunden sind. Die Ausgangssignale 14 und 15 der beiden Regler 12 und 13 gelangen
auf ein alektrcnisches Steuergerät 16, welches über die Leitungen 17 und 18 die
Magnetventile 7 bzw. 6 für Brennstoff und für Luft steuert.
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Hierbei gelangt das Ausgangssignal 14 des Temperaturreglers 12 zunächst
auf einen Spannungsfrequenzwandler 19, welcher das z.B. als Gleichspannung ausgebildete
Ausgangssignal 15 des Temperaturreglers 12 in eine frequenzproportionale Impulsserie
umwandelt, welche über die Leitung 20 auf je einen Steuerteil für Luft 21 und für
Brennstoff 22 gelangt.
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In dem Luftsteuerteil 21 wird zunächst durch eine steuerbare monostabile
Kippstufe 23 ein Rechteckimpuls 24 gebildet, welcher in der Leistungsstufe 25 verstärkt
und über die
Versorgungsleitung 18 den Luftmagnetventilen 6 zugeführt
wird. Die Dauer der Impulse 24 wird im einfachsten Falle vQn Hand eingestellt.
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Im Steuerteil 22 für das Brennstoffventil 7 liegt zunächst eine monostabile
Kippstufe 26, welche einen um eine bestimmte Zeitdauer gegenüber dem ursprünglichen
Impuls auf der Leitung 20 verzögerten Impuls 27 abgibt. Im einfachsten Falle ist
die Verzögerungszeit von Hand einstellbar. Dieser verzögerte Impuls 27 gelangt wiederum
auf eine monostabile Kippstufe 28, welche den eigentlichen Rechteckimpuls 27' für
das Brennstoffventil 7 bildet. Dieser wird im Leistüngsverstärker 29 verstärkt und
gelangt schliesslich über die Versorgungsleitung 17 auf die Brennstoffmagnetventile
7.
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Mit der beschriebenen Anordnung lässt sich eine Temperaturregelung
des Brennraumes 1 erreichen, dessen Stellglied ein praktisch verzögerungsfreies,
proportionales Stellverhalten aufweist. Das Luft-Brennstoffverhältnis wird an der
monostabilen Kippstufe 23 durch Variation der Luftimpulsdauer eingestellt, das optimale
Zündverhalten an der monostabilen Kippstufe 26 durch einen von Hand eingestellten
Luftvorlauf.
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Soll die Steuerung der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre automatisch
erfolgen, so wird das Ausgangssignal 15 des Reglers 13 der monostabilen Kippstufe
23 zugeführt, so dass bei konstanter Brennstoffimpulsbreite das Brennstoff-Luftverhältnis
automatisch durch Variation der Luftimpulsbreite verändert wird. Durch dasselbe
Signal 15 kann die Verzögerungszeit des Brennstoffimpulses an der monostabilen Kippstufe
26 beeinflusst werden, so dass z.B. der Brennstoffimpuls immer symmetrisch zum Luftimpuls
zu liegen kommt.
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Die beschriebene Steuerlektronik ist für jeden Regelkreis einmal erforderlich
und kann zum grössten Teil aus handelsüblichen integrierten Schaltkreisen aufgebaut
werden, so dass der apparative Aufwand gegenüber den zu erreichenden Steuermöglichkeiten
relativ gering ist.