DE2510091C2 - Verbrennungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Verbrennungseinrichtung ist bekannt aus der DE-OS 22 52 618. Sie arbeitet zufriedenstellend im Falle der Verwendung von gasförmigem Bedarf. Hingegen wird im Falle eines flüssigen Brennstoffs, welcher im Brenner verdampft werden muß, und insbesondere im Falle eines geringen Brennstoffdurchsatzes keine ausreichende Flammenstabilität erreicht. Dies gilt insbesondere für den Fall der Verwendung einer intermittierend arbeitenden elektrischen Brennstoff-Förderpumpe, wie sie z.B. in der FR-PS 13 38 072 beschrieben ist. Die Probleme sind besonders gravierend bei Verbrennungseinrichtungen für kleindimensionierte Heißluftheizgeräte mit einem relativ niedrigen Heizkoeffizienten von z. B. 8000 bis 2000 Kcal/h. Die dabei auftretenden Probleme sollen im folgenden anhand eines Beispiels erläutert werden.

Im Falle eiens Heizkoeffizienten von etwa 4000 Kcal/h und unter Verwendung von Kerosin als flüssigem Brennstoff mit einem Heizwert von 8000 Kcal/l ist die folgende Förderleistung der Brennstoffpumpe erforderlich:

500cm²/60min = 8,3cm³/min = O.lScmVsec.

Im Falle der Verwendung einer Kolbenpumpe und einer Wechselspannung von 50 Hz müssen die 0,15 cm³ im Verlauf von 50 Kolbenhüben gefördert werden, so daß pro Kolbenhub nur 0,003 cm³ des flüssigen Brennstoffs gefördert werden.

Elektrische Pumpen für derart geringe Förderleistungen, welche ausreichend präzise und außerdem auch noch einfach und billig sein sollen, sind nicht oder kaum herstellbar. Mit einer Membranpumpe können zwar ausreichend niedrige Brennstoffdurchsätze erreicht werden, jedoch steigt mit einer Verringerung des Brennstoffdurchsatzes die Neigung zur Flammeninstabilität, so daß bisher eine zufridenstellende Steuerung der Membranpumpe im Sinne einer Stabilisierung der Flamme nicht möglich war.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches derart weiterzubilden, daß bei Verwendung in Heißluft-Heizgeräten mit einem relativ geringen Heizkoeffizienten von 8000 bis 2000 Kcal/h und mit einer durchschnittlichen Brennstoff-Förderrate von etwa 0,3—0,08 cm³/sec eine stabile Verbrennung gewährleistet ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs gelöst

Mit der erfindungsgeinäßen Regeleinrichtung wird

jeweils ein optimales Verhältnis von Brennstoff zu Luft

ίο anhand des mit dem Detektor erfaßten Flammenzustandes eingestellt, so daß ein Zurückschlagen der Flamme oder ein Abheben der Flamme verhindert wird. Die Flamme wird auf diese Weise stabil gehalten und zwar insbesondere auch bei Fluktuationen des Verbrennungsluft-Durchsatzes, bei Änderungen des Luftdrucks.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Heißluftheizgerätes mit der Verbrennungseinrichtung; F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Vorheizgerätes für die Verbrennungsluft;

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines Verdampfers;

Fig.4 einen Schnitt durch eine elektrische Brennstoffförderpumpe;

F i g. 5 eine Blockdarstellung der elektrischen Schaltung des Heizgerätes;

F i g. 6 eine Detaildarstellung der Pumpensteuerungsschaltung in der elektrischen Schaltung gemäß F i g. 5 und

F i g. 7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Brennstoff-Förderrate vom Detektorstrom.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Heißluftheizgerät zum Beheizen von Räumen, welches mit einer Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung ausgerüstet ist. Das Heizgerät umfaßt ein Gehäuse 1 mit einem Heißluftauslaß 2 im oberen vorderen Teil des Gehäuses und mit einem Lufteinlaß 3 im unteren seitlichen Teil. In der Mitte des Gehäuses 1 ist ein Verbrenuungszylinder 4 horizontal angeordnet. In dem Verbrennungszylinder ist einerseits eine gleichzeitig als Mischkammer dienende Verdampfungskammer 5 und andererseits eine Verbrennungskammer 6 vorgesehen. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher parallel zum Verbrennungszylinder. Ein Ende des Wärmeaustauschers steht mit der oberen Wandung der Verbrennungskammer 6, und zwar auf der entgegengesetzten Seite der Verdampfungskammer 5, in Verbindung. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Verbrennungsgasauslaß, welcher mit dem anderen Ende des Wärmeaustauschers verbunden ist und auf der Seite der Verdampfungskammer 5 angeordnet ist. Der Verbrennungsgasauslaß 8 ist mit einem Verbrennungsgas-Auslaßrohr 9 verbunden, welches nach draußen geführt ist. Ein Lufteinlaßrohr 10 ist in einen Vorheizteil zum Vorheizen der Luft verbunden, welcher sich an der Außenseite der Verbrennungskammer 6 befindet. Eine Verbindungsrohrleitung 12 verbindet den Vorheizteil mit der Verdampfungskammer 5. In der Verbindungsrohrleitung befindet sich ein Heizelement 13 in Form eines zylindrischen Körpers gemäß F i g. 2 mit einer Vielzahl von Durchlässen und zwar aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes. Eine Motorwelle 18 eines Motors 17 b5 erstreckt sich einerseits in die Verdampferkammer 5 für den Antrieb einer drehbaren Platte 14 und eines Ventilators 15 und andererseits in den Verbrennungsgasauslaß 8, wo sie einen Ventilator 16 für das

Verbrennungsgas antreibt. Zwischen der Verdampfungskammer 5 und der Verbrennungskammer 6 ist eine Flammenlochplatte 19 vorgesehen. Ferner sind eine Zündelektrode 20 und eine Flammendetektorelektrode 21 mit einem vorbestimmten Abstand im Randbereich der Verbrennungskammer im Bereich der Flammenlöcher angeordnet Ferner sind Katalysatorplatten 22, 23 vorgesehen sowie eine öffnung 24 in der Stirnwandung der Verbrennungskammer 6 mit einer Explosionspu^erplatte 25, welche im peripheren Bereich mit Stiften 26 und Federn 27 elastisch gehaltert ist In einem das Lufteinlaßrohr 10 mit dem hinteren oberen Ende der Verbrennungskammer 6 verbindenden Nebenstromrohr 28 ist ein Ventil 29 mit einer elektromagnetischen Wicklung 30 vorgesehen. Im Lufteinlaßrohr 10 befindet sich eine Luftklappe 31. An der Außenwandung der Verdampfungskammer 5 ist ein Heizelement 32 sowie ein Temperaturfühler 32 vorgesehen, welche aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bestehen. Das Heizelen.ent 32 hat gemäß Fig.3 die Gestalt eines dünnen Rings. Ferner umfaßt das Heißluftheizgerät einen Druckschalter 34, ein Gebläse 35 für die Heißluft im unteren Teil des Gehäuses 1, einen Temperaturfühler 36 am Lufteinlaß des Gebläses 35, ein Ölstands-Anzeigegerät 37, eine Ölleitung 38, einen Brennstofftank 39 und eine Brennstoffpumpe 40, welche über eine Leitung 41 einerseits mit dem Ölstandsanzeigegerät 37 verbunden ist und den flüssigen Brennstoff über eine Leitung 42 der drehbaren Platte 14 in der Verdampferkammer zuführt.

Die elektrische Brennstoff-Förderpumpe 40 umfaßt gemäß F i g. 4 einen Pumpenkörper 43 mit einem Einlaß 44 und einem Auslaß 45, sowie einen Kompressionsraum 46, welcher durch eine Membran 47 begrenzt wird. Die Membran ist über eine Kolbenstange 48 mit einem Eisenkern 49 verbunden, welcher durch eine Feder 51 abwärts gedrückt wird und von einer elektromagnetischen Wicklung 50 umgeben ist.

Gemäß F i g. 5 ist eine übliche Wechselstromquelle 52 über einen Hauptschalter 53 und einen Verzögerungsschalter 54 mit dem Gebläse 35 verbunden. Eine Reihenschaltung eines normalerweise geschlossenen Schalters 55, eines normalerweise geöffneten Schalters 56, einer ersten Relaiswicklung 57 und eines schwingungsempfindlichen Schalters 58 sowie eines normalerweise geschlossenen Schalters 79 liegt parallel zur Reihenschaltung aus dem Gebläse 35 und dem Verzögerungsschalter 54. Ein Selbsthaltekontakt 59 der ersten Relaiswicklung 57 liegt parallel zum Schalter 56. Der Motor 17 liegt parallel zur Reihenschaltung der ersten Relaiswicklung 57, des normalerweise geschlossenen Schalters 79 und des schwingungsempfindlichen Schalters 58. Der Druckschalter 34, das Vorheizelement 13 und der Temperaturdetektor 33 sind in Reihe zueinander und parallel zum Motor 17 geschaltet. Parallel zum Vorheizelement 13 liegt das Heizelement 32. Eine Reihenschaltung aus einer Diode 50 und einer zweiten Relaiswicklung 61 liegt parallel zum Temperaturdetektor 33. Eine Reihenschaltung der Brennstoff-Förderpumpe 40 und eines normalerweise geöffneten, der zweiten Relaiswicklung 61 zugeordneten Kontakts liegt parallel zur Reihenschaltung des Vorheizelements 13 und des Temperaturdetektors 33. Eine Pumpensteuerschaltung 63 dient zur Steuerung der Brennstoff-Förderpumpe 40 und des normalerweise geschlossenen Schalters 79. Sie wird von einem Zeitglied 64 aneesteuert. welches andererseits einen normalerweise geschlossenen Kontakt 66 und einen normalerweise geöffneten Kontakt 67 ansteuert Erste^rer liegt in Reihe zu einem Transformator 65 für die Zündungsentladung, dessen Sekundärwicklung einerseits mit der Flammenlochplatte 19 und andererseits mit der Zündelektrode 20 verbunden ist Andererseits liegt eine Reihenschaltung aus dem Zimmertemperaturfühler 36, der elektromagnetischen Wicklung 30 und dem normalerweise geöffneten Kontakt 67 parallel zur Reihenschaltung aus dem

ίο normalerweise geschlossenen Kontakt 66 und dem Transformator 65.

Im folgenden soll die Pumpensteuerschaltung 63 anhand der Fig.6 erläutert werden. Zwischen der Flammenlochplatte 19 und der Flammendetektorelektrode 20 brennt eine Flamme 68, welche durch eine Schaltung aus einem Ersatzwiderstand 69, einer Diode 70 und einem variablen Widerstand 71 dargestellt werden kann. Die Steuerschaltung umfaßt einen Operationsverstärker 72, welcher an seinem Eingang das Flammendetektorsignal empfängt. Ferner umfaßt die Schaltung einen bilateralen Halbleiterschalter (SBS) 73, z. B. ein DIAC, sowie einen monostabilen Multivibrator 74, einen Transistor 75, welcher mit der elektromagnetischen Wicklung 50 der Brennstoff-Förderpumpe verbunden ist, sowie Transistoren 76 und 77. Eine dritte Relaiswicklung 78 ist über den Transistor 77 mit der Stromquelle verbunden und dient der Ansteuerung des normalerweise geschlossenen Kontakts 79 (Fig.5). Ferner sind Spannungsquellen 80 bis 82 vorgesehen sowie Widerstände 83 bis 92, Kondensatoren 93 bis 95, eine Diode 96 und Konstantspannungsdioden 97,98.

Wenn der Hauptschalter 53 in F i g. 5 eingeschaltet wird und der normalerweise offene Schalter 56 gedrückt wird, so wird die Relaiswicklung 57 erregt und der Selbsthaltekontakt 59 geschlossen. Gleichzeitig wird der Motor 17 eingeschaltet, so daß der Ventilator 16 für die Verbrennungsgase sowie die drehbare Platte 14 und der Ventilator 15 in der Verdampferkammer gedreht werden. Die Verbrennungsluft strömt nun durch das Einlaßrohr 10, die Vorheizkammer 11 und das Verbindungsrohr 12 in die Verdampferkammer 5 und weiter durch die Verbrennungskammer 6, den Wärmeaustauscher 7, in Verbrennungsgasauslaß 8 und das Verbrennungsgas-Auslaßrohr 9. Ein Teil der Luft strömt von dem Lufteinlaßrohr 10 über die Nebenstromleitung 28 direkt zum Wärmetauscher 7. Sobald Verbrennungsluft durch das Gerät strömt, wird der Druckschalter 34 eingeschaltet, und nun fließt ein elektrischer Strom durch das Vorheizelement 13 und das Heizelement 32 sowie durch den Temperaturdetektor 33, Die Verbrennungsluft wird vom Vorheizelement 13 aufgeheizt, und die Wandung der Verdampfungskammer 5 wird durch das Heizelement 32 aufgeheizt. Wenn die Wandung der Verdampfungskammer 5 eine vorbestimmte Temperatür erreicht (etwa 250⁰C) so erhöht sich der Widerstand des Temperaturdetektors plötzlich stark, so daß der Strom nunmehr über die zweite Relaiswicklung 61 fließt und der Kontakt 62 geschlossen wird. Hierdurch werden die Brennstoff-Förderpumpe 40, die Steuerschaltung 63 und das Zeitsteuerglied 64 mit Spannung versorgt. Ferner liegt diese Spannung auch über den normalerweise geschlossenen Kontakt 66'am Zündtransformator 65 an. Die Pumpe 40 fördert Brennstoff (z. B. Kerosin) zur drehbaren Platte 14, welche den Brennstoff auf die Innenwandung der Verdampfungskammer 5 schleudert, wo er verdampft und mit der Verbrennungsluft vermischt wird. Die brennbare Gasmischung tritt durch die Flammenlochplatte 19 in die Verbrennungskammer

6 und wird hier entzündet und zwar durch die vom Zündtransformator 75 zwischen Zündelektrode 20 und Flammenlochplatte 19 hervorgerufene Bogenentladung. Die Verbrennungsgase strömen durch die Katalysatorplatten 22, 23 zum Wärmeaustauscher 7 und durch den Verbrennungsgasauslaß 8 zum Verbrennungsgasauslaßrohr 9. Zu Beginn der Verbrennung ist der Verzögerungsschalter 54 eingeschaltet. Daher ist das Gebläse 35 für die Umluft in Betrieb. Etwa gleichzeitig mit der Einschaltung des Gebläses 35 wird der normalerweise geschlossene Kontakt 66 geöffnet, wodurch der Strom durch den Zündtransformator 65 unterbrochen wird. Andererseits wird der normalerweise geöffnete Kontakt 67 geschlossen, so daß nun ein elektrischer Strom durch den Raumtemperaturfühler 36 und die Magnetwicklung 30 fließt und das Ventil 29 schließt, so daß die Verbrennungsluft nicht mehr durch die Nebenstromleitung 28 strömen kann. Die Steuerleitung 63 für die Brennstoff-Förderpumpe 40 wird nach einer vorbestimmten Zeitdauer vom Zeitsteuerglied 64 eingeschaltet. Die Arbeitsweise der Steuerschaltung 63 für die Brennstoff-Förderpumpe 40 soll im folgenden erläutert werden.

Die elektrischen Verhältnisse zwischen der Flammendetektorelektrode 21 und der Flammenlochplatte 19 können durch eine Aquivalentschaltung aus der Diode 70. dem variablen Widerstand 71 und dem Widerstand 69 wiedergegeben werden. Wenn die Flamme in Gefahr gerät zurückzuschlagen, so wird der Strom durch die Flammendetektorelektrode 21 verringert und die Potentiaidifferenz zwischen den Eingängen 99 und 100 des Operationsverstärkers 72 ändert sich im Sinne einer Verringerung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 72. Hierdurch wird die Schaltfrequenz des bilateralen Halbleiterschalters 73 verringert, welcher den monostabilen Multivibrator 74 betätigt. Hierdurch wird das Pauseninterval zwischen den intermittierenden Einschaltungen des Transistors 75 erhöht, so daß die Brennstoff-Förderrate der Brennstoff-Förderpumpe gesenkt wird. Nun kehrt die Flamme 68 in den Normalzustand zurück.

Wenn andererseits die Flamme 68 in Gefahr gerät abzuheben, so findet der umgekehrte Vorgang statt und Förderrate des Brennstoffs wird gesenkt, so daß die Flamme 68 wieder in den normalen Zustand zurückkehrt. Der stabile Betriebszustand ist in F i g. 7 mit einer gestrichelten Linie dargestellt.

Wenn die Flamme 68 erlischt, so liegt zwischen den Eingangsanschlüssen 99 und 100 des Operationsverstärkers 72 keine Spannung an. Demgemäß hat das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 72 eine hohe Spannung Nun wird der Transistor 76 über di^p Konstantspannungsdiode 98 eingeschaltet und der Transistor 77 ausgeschaltet und der Kontakt 79 (F i g. 5) wird geöffnet, so daß der Strom durch die hinter diesem Kontakt liegenden Schaltungäteil, z. B. den Motor 17, unterbrochen wird.

Wenn die Zimmerluft über eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, so unterbricht der Raumtemperaturfühler 36 den Strom durch die elektromagnetische Wicklung 30 und das Ventil 29 wird geöffnet, so daß ein Teil der Verbrennungsluft durch die Nebenstromleitung 28 direkt zum Wärmeaustauscher 7 strömt. Hierdurch wird die Verbrennungsluftzufuhr zur Verdampfungskammer 5 verringert. Dies führt zu einer Verkleinerung der Flamme, welche nun in Gefahr gerät, zurückzuschlagen. Die Förderrate der elektrischen Pumpe 40 wird aber durch die Steuerschaltung 63 in entsprechendem Maße gesenkt, so daß auch bei dieser verringerten Heizleistung ein stabiler Betrieb gewährleistet wird.

Wenn der Heizvorgang für eine Weile unterbrochen werden soll, so muß lediglich die Lüftungsklappe 31 im Lufteinlaßrohr 10 in Schließrichtung gedreht werden. Hierdurch wird auch die Brennstoff-Förderrate der Pumpe 40 gesenkt, so daß nur eine kleine Flamme 68 als Zündflamme brennt. Sobald die Lüftungsklappe 31 wieder voll geöffnet wird, setzt wieder die volle Verbrennung ein. Während des Betriebs wird die Verbrennungsluft durch die Wandung der Verbrennungskammer 6 vorgeheizt und auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten und zwar bei abgeschaltetem Vorheizelement 13. Ferner heizt die Wandung der Verbrennungskammer 6 die Wandung der Verdampfungskammer 5 durch Wärmeleitung auf, ohne daß das Heizelement 32 für die Verdampfung eingeschaltet werden muß. Die Heizelemente 13 und 32 bestehen aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und sie werden daher selbsttäig ausgeschaltet. Auf diese Weise wird die Innenwandung des Verdampfers 5 auf einer Temperatur von etwa 250°C gehalten und die Temperatur der Verbrennungsluft wird auf etwa 8O⁰C gehalten. Es kann eine solche zweite Relaiswicklung 61 verwendet werden, welche den Kontakt 62, nachdem dieser einmal geschlossen wurde, nur dann wieder öffnet, wenn kein Strom mehr fließt. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Kontakt 62 auch dann nicht geöffnet wird, wenn der Widerstand der Heizelemente 13 und 32 stark ansteigt. Durch die Verbindung einer manuellen Steuerung der Luftzufuhr einerseits und einer automatischen Regelung der Brennstoffzufuhr ergibt sich somit eine wesentliche Vereinfachung des Heißluftheizgerätes bei hoher Betriebssicherheit. Durch einfache Drosselung der Luftzufuhr gelangt der Brenner in den Sparflammenbeineb. Auch der Raumtherrnostat wirkt lediglich auf die Luftzufuhr ein, während die Brennstoffzufuhr automatisch entsprechend verringert oder erhöht wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verbrennungseinrichtung mit einer Mischkammer für die Vermischung von Brennstoff und von durch ein Gebläse geförderter Verbrennungsluft, mit einer Verbrennungskammer stromab von der Mischkammer und mit einer auf einen Flammendetektor ansprechenden Steuereinrichtung zur Steuerung der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Flammenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Impulse angesteuerte elektrische Brennstoff-Förderpumpe (40) für in der Mischkammer (5) zu verdampfenden flüssigen Brennstoff vorgesehen ist mit einer durchschnittlichen Förderrate für den flüssigen Brennstoff von 0,3 bis 0,08 cmVs und daß die Steuereinrichtung (63) einen auf den Flammendeteäctor (21) ansprechenden Operationsverstärker (72) umfaßt, von dessen Ausgangsspannung die Frequenz der über eine ÄC-Schaltung (88, 93, 94), einen bilateralen Halbleiterschalter (73), einen monostabilen Multivibrator (74) und einen Schalttransistor (75) erzeugten Impulse abhängig ist.