DE2914681A1

DE2914681A1 - Verbrennungssteuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2914681A1
Application number: DE19792914681
Authority: DE
Inventors: Yukio Nagaoka; Yoshio Yamamoto; Yoshiyuki Yokoajiro
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2914681C2; GB2018970A; FR2426212A1; US4385887A; GB2018970B; FR2426212B1; JPS54137128A; JPS6018887B2

Description

Anmelderin; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd,

VERBHENNUNGSSTEUERUNGSVOKRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungs— steuerungsvorrichtung, und insbesondere eine Verbrennungsvorrichtung mit ZwangsIuftzuführung, die ein Gebläse zur Luftzuführung für die Verbrennung verwendet.

Herkömmliche Zwangsluftzuführungsverbrennungsvorrichtungen besitzen einen Brenner, der in einem Durchlaß mit einem Gebläse zur Zuführung von Luft zu dem Brenner angeordnet ist. Allgemein wurden keine Überlegungen angestellt, um eine Verbindung zwischen der Luftseite und der Brennstoffseite herzustellen. In derartigen Vorrichtungen verursachen Änderungen in der Gebläsespannung, in dem Widerstand des Luftzuführungsdurchlasses und in dem Druck der Außenluft, die auf die Luftzuführungsöffnung und die Auslaßöffnung wirkt, Änderungen in der Luftmenge, die eingeblasen wird, oder in dem internen Druck der Vorrichtung, wodurch es unmöglich wird, das Überscliuß luf tverhältnis auf einem konstanten ¥ert zu halten. Weiterhin ist es, χίβηη es gewünscht wird, die Verbrennungsmenge zu variieren, notwendig, die Anzahl der Brenner oder den Brennstoffzuführungsdruck zu ändern, was eine starke Veränderung des Überschußluftverhältnisses mit sich bringt. Als Ergebnis ist es notwendig, einen Brenner auszusuchen, der weite Variationen im Überschußlurtverhältnis ermöglicht, was ein Vergrößern der Brennergröße bedeutet. Weiterhin, falls die Verbrennungsmenge auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, steigt das Überschußluftverhältnis stark an und somit nimmt der Verbrennungswirkungsgrad ab.

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Beispiele für Verbrennungsanordnungen,bei denendas Überschuß-

uftverhältnis gesteuert wird, beinhalten Verbrennungsvorrichtungen für industrielle Verwendungen, beispielsweise Wärmeöfen und Wärmebehandlungsöfen. Diese Vorrichtungen verwenden Ilochdruckluf tgeräte mit mehreren 1oo mm aq. F₃IIs der Brennstoff Gas ist, wird er von einer Pipeline mittleren Drucks zugeführt, oder er wird zugeführt, nachdem er durch einen Verstärker oder Booster auf höheren Druck gebracht wurde. Dementsprechend wurden solche Vorrichtungen in ihren Ausmaßen größer und können nicht mehr in Privathäusern verwendet werden, denen Gas niederen Drucks zugeführt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Vormischbrenner, der Primärluft erfordert, einen Injektor, der in einem Primärluftzuführungsdurchlaß angeordnet ist und einen eingeengten Bereich von im wesentlichen gleichem Durchmesser und von einer Länge, die etwa dem o,5- bis 3-fachen des Durchmessers entspricht, besitzt, einen vergrößerten Abschnitt, der mit dem eingeengten Bereich und einer Brennstoffzuführungsöffnung in Verbindung steht, die koaxial mit dem eingeengten Bereich ausgebildet ist, einen Außendurchmesser vom o,3 bis o,5-fachen des Innendurchmessers besitzt, und in einer Lage angeordnet ist, die um das - o,25-fache des Innendurchmessers des eingeengten Bereichs von der Einlaßendfläche beabstandet ist, einen Druckregulator, der in einem BrennstoffZuführungsdurchlaß angeordnet ist, in Verbindung mit der Brennstoffeinführungsöffnung steht, derart ausgelegt ist, daß der Druckunterschied zwischen dem Auslaß des Regulators und dem Einlaß des Injektors in dem Bereich von + 5o % bis - 3o ia des Druckunterschieds liegen kann, der zwischen dem Einlaß und dem begrenzten Bereich des Injektors auf der Grundlage der Primärluftmenge zur Zeit des geringsten Eingangs auftritt, und durch den Druck in dem Einlaßabschnitt des Injektors

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gesteuert wird, wodurch Priniärluft und Brennstoff den Brenner mit einem vorgegebenen Überschußluftverhältnis zugeführt wird.

Die Verbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist so ausgelegt, daß sie das Überschußluftverhältnis in einem festen Bereich hält, wodurch eine Verbrennungsstabilität sichergestellt wird und gewährleistet wird, daß der Verbrennungswirkungsgrad nicht abnimmt, selbst wenn die Verbrennungsmenge eingestellt wird. Insbesondere ist es ein Merkmal der Erfindung, daß die Druckverluste in dem Luftzuführungsdurchlaß zu einem Luft/Brennstoff-Mi schabschnitt verringert werden, wodurch es möglich wird, die Gebläsegröße zu reduzieren und somit die gesamte Verbrennungs-Vorrichtung in den Ausmaßen klein und gewichtsmäßig leicht zu bauen.

Figur 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführung der Erfindung;

Figur 2 ist eine Schnittansicht eines Injektors;

Figur 3 ist ein Graph, der Verhältnis zwischen der Luftgeschwindigkeit und des erhaltenen effektiven Druckunterschiedes am Injektor darstellt;

die Figuren 4 und 5 sind Graphen, die die Einflüsse des erhaltenen effektiven Druckunterschiedes und eines Druckregulators auf das Überschußluftverhältnis darstellen j Figuren 6 und 7 sind Graphen, die das Verhältnis zwischen der Flußrate, die durch den Druckregulator geschaffen wird, und den Auslaßdruckänderungen zeigen; und die Figuren Sa, 8b, 9» Io und 11 zeigen die Einflüsse verschiedener Faktoren auf den Injektor,

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben.

be
Wie aus Figur 1 zu entnehmen, sitzt ein Gebläse 1 zur Zuführung von Luft zur Verbrennung einen Luftzuführungsdurchlaß k, in der

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ein Injektor 2 angeordnet ist. Brennstoff und Luft werden in dem Injektor 2 gemischt und einem Vormischbrenner 3 zur Verbrennung sugeführt. Auf der anderen Seite wird der Brennstoff durch einen Druckregulator .5 gesteuert, um durch ein Ein/Aus-Solenoidventil 6 und einen BrennstoffZuführungsdurchlaß 7 zum Injektor 2 geführt zu werden. Der Injektor 2 besitzt einen Einlaßabschnitt 8, der in dem oberen Teil des Luftstromes angeordnet ist, einen Flußeinengungsabschnitt 9» der sich davon wegerstreckt, wobei der Durchmesser allmählich abnimmt, einen eingeengten Bereich 1o, und einen vergrößerten Abschnitt 11, der in Verbindung mit dem eingeengten Abschnitt 1o steht und dessen Durchmesser allmählich zunimmt, wobei diese beiden Abschnitte miteinander axial ausgerichtet sind. Zu der Einlaßfläche des eingeengten Bereichs Io konzentrisch mit ihm ausgerichtet ist eine Brennstoffeinfülirungsoffnung 12 angeordnet, die mit dem Brennstoffzuführungsdurchlaß 7 verbunden ist. Somit werden in dem eingeengten Bereich 1o Brennstoff und Luft aus dem mittleren Abschnitt bzw. dem Randabschnitt abgegeben und fließen hindurch, während sie gemischt werden. Dieses Gemisch wird in dem verbreiterten Abschnitt beschleunigt und der Druck wieder hergestellt. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Düse, die die Brennstoff menge bestimmt, die eingeführt warden soll.

Auf der BrennstoffZuführungsseite tritt der Brennstoff in den Einlaß 14 des Druckregulators 5 und fließt durch ein Steuerventil, das aus einer Ventilöffnung 15 und einem Ventilkörper 16 zusammengesetzt ist, in eine Ventilkammer 17. Danach fließt er durch einen Druckunterschiederzeuger 18, dessen Auslaß 19 mit dem Ein/Aus-Solenoidventil 6 verbunden ist. Ein Hauptdiaphragma 2o dient zur Bewegung des Ventiikörpers 16. Auf der einen Seite des Hauptdiaphragmas liegt eine Diaphragmakammer 22, die durch den Brennstoffdruck in dem Niederdruckabschnitt 21 des Druckuriterschiederzeugers 18 beeinflußt wird, während auf der anderen Seite eine Rückd.ruckkammer 23 vorhanden ist, zu der

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der Luftdruck in dem Einlaßabschnitt 8 des Injektors 2 durch ein Ausgleichsrohr 28 zugeführt wird. Ein Ausgleichsdiaphragma 24 besitzt im wesentlichen den gleichen effektiven Durchmesser wie die Ventilöffnung 15 und trennt den Brennstoffeinlaß 14 und die Diaphragmakammer 22 voneinander. Eine Einstellfeder 25 wird von einer Einstellschraube 26 gehalten und wirkt auf das Hauptdiaphragma 2o^ 27 ist eine Abdeckkappe bezeichnet, die ein Lecken der Einstellschraube 26 verhindern soll.

Der Betrieb der Verbrennungssteuerungsvorrichtung, die in der oben beschriebenen Art angeordnet ist, wird nun im folgenden beschrieben.

In Figur 1 wird die Luft, die zur Verbrennung notwendig ist,

dessen durch das Gebläse 1 zugeführt, während der Brennstoff, Druck durch den Druckregulator 5 im Verhältnis zu der Luftmenge eingestellt wird, durch die BrennstoffZuführungsöffnung 12 auf die Öffnung des Ein/Ausventils 6 eingegeben wird, so daß er mit der Luft gemischt wird, und das Gemisch wird dem Brenner 3 mit Vormischung, in dem die Verbrennung durchgeführt wird, zugeführt.

Dabei wird das Verhältnis zwischen der Brennstoffmenge und der Luft zu einem solchen Überschußluftverhältnis eingestellt, das eine perfekte Verbrennung sicherstellt, um die höchstmögliche thermische Ausnutzung zu erreichen, und die Eingangssteuerung wird durch ein Ändern der Luftflußrate, die hineingeblasen wird, bewirkt, doch selbst dann wird das optimale Überschußluftverhältnis aufrecht erhalten. Bislang wurde diese Art des Steueraus

mechanismus schließlich für industrielle Anwendungen durchgeführt, bei denen der Druckverlust am Injektor 2 kein Problem darstellt, da Luftdruck und BrennstoffZuführungsdruck beide größer als mehrere 1oo mm aq. sind, um das Luft/Brennstoffverhältnis auf einen konstanten Yert zu halten.

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In üblichen Wohnhäusern wurde es als unmöglich angesehen, das Überschußluftverhältnis zu steuern, da derartig hohe Drücke nicht zu erhalten waren. Die vorliegende Erfindung schafft in dieser Hinsicht Verbesserungen und paßt die industriemäßig verwendeten Vorrichtungen dem Hausgebrauch an.

In Figur 2 ist ein vergrößerter Schnitt des Injektors 2 dargestellt. Die Verbrennungsluft tritt in den Einlaßabschnitt ein und fließt zu dem vergrößerten Abschnitt 11, wodurch der Druck in dem eingeengten Bereich 1o reduziert wird. Der Druckunterschied !zwischen dem Einlaßabschnitt 8 und dem eingeengten

Luft Bereich 1o wird durch die Geschwindigkeit der bestimmt, die durch eine ringförmige Luftpassage läuft, die zwischen der Brennstoffeinlaßöffnung 12 und dem eingeengten Bereich 1o gebildet wird. Die Druckdifferenz ist in Figur 3 dargestellt. Mathematisch:

Pai - Pn = ka (Ve)² = Ka (Qc)² (i) Pai: Druck am Einlaßabschnitt 8 Pn: Druck am eingeengten Bereich 1o Vc: Lufteinlaßgeschwindigkeit Qc: Luftmenge

Zusätzlich ist Ka eine Konstante, die durch die Größe und die Gestalt des Flußeinengungsabschnittes 9 und des eingeengten Bereichs 1o bestimmt wird. Der Druck Pn in dem eingeengten Bereich 1o, wie oben angegeben, ist nicht der Druck, der auf die Wand des eingeengten Bereichs 1o wirkt, sondern der effektive Druck, der auf die Brennstoffeinlaßöffnung 12 wirkt, die zu der Einlaßendfläche des eingeengten Bereichs geöffnet ist.

Bezüglich des Druckregulators 5 ist die Flußrate des Brennstoffs durch den Druck in dem Auslaßabschnitt· 19 und dem Druck Pn in dem eingeengten Bereich bestimmt. Die Beziehung wird durch folgende Gleichung (2) angegeben:

Qg = Kg IPgo - Pn (2)

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Qgi Brennstoffflußrate

Pgo: Druck am Auslaß 19 des Druckregulators 5

Zusätzlich ist Kg eine Konstante, die durch die Größe und die Gestalt des Ein/Ausventils 6 und der Düse 13 in dem Brennstoffzuführungsdurchlaß 7 sowie durch das spezifische Gewicht des Brennstoffs bestimmt wird.

In den Brennern wird das Überschußluftverhältnis, das definiert ist als das Verhältnis der Luftmenge zur theoretischen Luftmenge ein Problem, wobei die Beziehung folgende ist:

, __Ϊ1_ (3)
^M "q.Qg

M: Überschußluftverhältnis

q: theoretische Luftmenge pro Flußeinheit des Brennstoffs

Einsetzen der Gleichungen (i) und (2) in Gleichung (3) ergibt:

Qc M ..... __	J	—	q	1 Ka	(Pai -	1	\/Ka	Pn)	Pai	- Pn
^M " q.Qe		= K	q.Kg ^PgO	ii - Pn	- Jr¹H	Pgo	- Pn
	1		^ Pgo - On *	■/
	.Kg
		(*)
wobei K =

Die Beziehung zxiischen dem Druck Pgo am Auslaß 19 des Druckregulators 5 und dem Druck Pai im Einlaßabschnitt 8 des Injektors 2 wird durch die folgende Gleichung dargestellt: Pgo = Pai + ά Ρ (5)

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Dies zeigt an, daß ein Unterschied von/3 P zwischen Pgo und Pai existiert. Ein Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (4) ergibt s

(Pax - Pn _ _K Pgo - Pn

= K

1 +

Pai - Pn

Auf diese Weise wird die Gleichung (6) erhalten. Falls somit der Auslaßdruck Pgo auf der Brennstoffseite gleich dem Einlaßdruck Pai auf der Luftseite ist, so daß β P Null sein kann, hat das Überschußluftverhältnis nicht zu tun mit der Flußrate und kann durch die Größe und die Gestalt bestimmt werden, die vorgegeben werden können.

Der Druckregulator 5 steuert das Ausmaß der Öffnung des Steuerventils, so daß ^l P in Gleichung 5 Null sein kann. Wenn der Druck auf der Brennstoffseite und der Druck in dem Injektoreinlaßabschnitt 8 auf das Hauptdiaphragma 2o wirken, falls der Druck auf der Brennstoffseite vergrößert wird, wird das Diaphragma in eine Richtung bewegt, um den Ventilkörper T6 zu schließen, woraufhin, falls der Druck auf der Luftseite weiter ansteigt, das Diaphragma in eine Richtung bewegt wird, um den Ventilkörper 16 zu öffnen. Somit wirkt auf jeden FaJl eine derartige Druckänderung in eine Richtung, um den Druckunterschied zu eliminieren. /} P in Gleichung 5, das in Wahrheit nicht Null gesetzt werden kann, wird unter Bezugnahme auf die Figuren h und 5 beschrieben.

Figur h zeigt das Verhältnis zwischen dem erzeugten effektiven Druckunterschied Pai -Pn, der in dem Injektor 2 erzeugt ist, und ^P, das spezielle Überschußluftverhältnisse angibt, die 1o?o bis 2o °p größer (plus) und kleiner (minus) als ein Referenz-Überschußluftverhältnis M sind, für das ^P (=Pgo - Pai) in Gleichung (5) Null ist.

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Wie auch, durch Gleichung (6) angezeigt ist, wird der Wert von ^P größer, je größer der erzeugte effektiv© Druckunterschied ist, was Unterschiede im Überscliußluftverhältnis mit sich bringt. Umgekehrt, falls der Wert -von β P der gleiche ist, variiert der Wert des Überschußluftverhältnisses umso weiter, je kleiner der erzeugte effektive Druckunterschied ist. Figur 5 zeigt dieses Verhältnis in dem unterschiedlichen Ausdruck. Es wird gezeigt, wie sehr das Überschußluftverhältnis M von dem Referenzzustand in Beziehung zu dem Verhältnis von Pgo - Pai auf (d.h.Δ Ρ) zu Pai - Pn abweicht. Außerdem ist vorzuziehen, daß QP auf einen Wert justiert wird, der in dem Bereich von + 5o $ bis - 3o $ des Druckunterschiedes liegt, der zwischen dem Einlaßabschnitt des Injektors und dem eingeengten Bereich liegt auf der Grundlage des Betrages von mehr Luft zu dem Zeitpunkt der geringsten Zufuhr.

Die Gründe für das Auftreten von β P werden im folgenden beschrieben. Zu ihrer Beschreibung ist der Unterschied zwischen dem Luftdruck in der Rückdruckkammer 23 des Druckregulators 5 und der Brennstoffdruck am Auslaß 19 zu betrachten. Zuerst unterscheidet sich der BrennstoffZuführungsdruck für den Fall eines Gases je nachdem, ob es sich um ein Natur- oder Erdgas oder LP-Gas handelt, und er unterscheidet sich auch zwischen den Zeitpunkten, in denen der Druckabfall in der Pipeline einem großen Gasbedarf entspricht und dem, zu dem ein geringerer Bedarf an Gas besteht. Aus diesem Grunde wird gesagt, daß der tatsächliche Zuführungsdruck mehr als um das 6-fache im Verhältnis zum Unterschied in der Gasqualität variiert. Wie in Figur 1 dargestellt ist, wird eine Methode verwendet, um die Einflüsse des Zuführungsdrucks auszuschalten, in-dem ein Gleichgewichtsdiaphragma 2k verwendet wird, das im wesentlichen den gleichen effektiven Druck wie die Ventilöffnung 15 besitzt, so daß ein Gleichgewicht zwischen dem Druck auf das Diaphragma 2k, das zum Öffnen des Ventilkörpers 16 neigt, und der Kraft, die darauf wirkt, um ihn zu schließen, errichtet wird.

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In der Praxis ist es jedoch schwierig, ein perfoktes Gleichgewicht zu erreichen. Dies liegt beispielsweise daran, selbst wenn der Verbrennungseingang der gleiche ist, da Stadtgas und LP-Gas sich in der Flußrate um das 5 bis 6-fache unterscheiden, so daß der Öffnungsgrad des Ventilkörpers 16* variiert. Als Ergebnis ändert sich die Stellung, in der das Gleichgewichtsdiaphragma 2k arbeitet, und somit auch der effektive Durchmesser, Bei Industrieanwendungen, wenn das Gas unter einem vorbestimmten Druck zugeführt wird, braucht dieser Einfluß nicht in die Betrachtungen aufgenommen zu werden.

Der andere Grund ist der Einfluß der Änderungen in der Flußrate· Es existieren 2 Fälle, wenn die gleiche Verbrennungsvorrichtung verwendet wird, zum einen wird der Eingang geändert, um den Eingang zu steuern, und zum anderen, selbst wenn der Eingang der gleiche bleibt, ändert sich die Flußrate mit der Gasqualität, Falls beispielsweise der Eingang auf 1/3 gesteuert wird, ändert sich die Flußrate um das 15- bis i8-f»che zusätzlich zum Unterschied in der Gasqualität. Ganz allgemein ist es bei Gasdruckregulatoren bekannt, daß die Flußrate zunimmt, wenn der Auslaßdruck abnimmt. Dies liegt daran, daß der Druckverlust in dem Regulator zunimmt mit zunehmender Flußrate, und daß der effektive Durchmesser des Hauptdiaphragmas und der Federbelastung sich ändert, wenn das Diaphragma in einer Richtung zur Öffnung des Ventilkörpers bewegt wird. Dies ist beispielsweise durch die Gerade A in Figur 6 dargestellt. D. h., selbst wenn eine Druckeinstellung an einem bestimmten Punkt vorgenommen wird, senkt sich der Auslaßdruck, wenn die Flußrate zunimmt. Der Druckregulator 5 in Figur 1 ist so ausgelegt, daß er diese Tendenz aufhebt, indem ^P abnimmt. Die Diaphragmakammer 22 wird nicht durch den Druck am Auslaß 19, sondern durch den Druck in dem Niederdruck Abschnitt 21 des Druckdifferenzerzeugers 18 beeinflußt. In Figur 6 zeichnet A den Druck der Diaphragmakammer 22, B den Druck in der Ventilkammer 17 und C den Druck am Auslaß 19.

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Durch das Anlegen eines Drucks, der niedriger als der Auslaß-Druck C ist, an die Diaphraginakammer durch den Druckdifferenzerzeuger 18, wird der Druck in der Ventilkaimner 17 erhöht. Was den Druck im Differenzerzeuger 18 anbelangt, wird der Druckverlust durch b/c bezeichnet, und der Druckunterschied zwischen dem Niederdruckabschnitt 21 und dem Auslaß 19 wird durch C/a bezeichnet. In jedem Fall ist er eine Funktion der zweiten Potenz der Flußrate, so daß er, wenn die Grade A als Referenz dient, sowie in Figur 6 verläuft. Die Zunahme der Flußrate öffnet den Ventilkörper 16 und senkt den Auslaßdruck aus den oben beschriebenen Gründen, was jedoch durch das Zuführen eines niedrigeren Druckes als des Auslaßdructe zum Diaphragma kompensiert wird. Das Ausmaß dieser Kompensation hängt von den Charakteristiken des Druckdifferenzerzeugers ab, und Eigenschaften, wie sie durch die Kurven a bis d in Figur 7 dargestellt sind, können je nach Vunsch ausgewählt werden. Zur Erstellung einer derartigen Kompensation in der Verbrennungssteuerungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist die folgende Weise die geeignetste:

Wie unter Bezugnahme auf Figur h beschrieben, ist der Fall der wichtigste, wenn der erzeugte effektive Druckunterschied am Injektor 2" Ö_as ist, mit anderen Worten, wenn die Luftmenge

ß zur Verbrennung wenig ist, und somit die Flurate des Brennstoffes niedrig ist. Deshalb sollte es so ausgelegt werden, daß bei der Flußrate, die dem geringsten Eingang entspricht,J P minimal ist. In üblichen Wohnhäusern, bei denen die Gasqualität nicht bestimmt werden kann, ist es vorzuziehen, daß ein Druckdifferenzerzeuger vorgesehen wird, der die Auslaßdruckänderungen aufgrund der Fluß— ratenänderungen zwischen der LP-Gasflußrate und der Stadtgasflußrate, was dem niedrigsten Eingang entspricht, kompensiert. Experimentell wurde herausgefunden, daß β P die 'folgenden Werte einnimmt.

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	Einheiten in mm Aq	Innendruck im Niedrigdruck-Abschnitt 21 des Druckdifferenzerzeugers 18	φ 8.25
	Ohne Druckdifferenzerzeuger	fo 9	+ ο.5 Variations- I Ί Breite Φ \ 0.7 - o.2j
Einfluß von Flußraten änderungen aufgrund des Gasqualitätsunterschie des zum Zeitpunkt des geringsten Eingangs	+ 1.2 Variations- I 2 Breite * \ 1.5 - o.3 ^J	+ o.5 Variations- I } Breite Ψ Τ 1.0 - o.5^J
Einfluß der Flußraten unterschiede aufgrund der Eingangsänderungen bei Verwendung der gleichen Gasqualität	- o.3 - 5.3	- o.7 I } ι·» + o.8	- o.2 -. V 3.8 ν 3.6
Einfluß der Flußraten- Änderungen einschl. der Eingangsänderung und der Gasqualitäts- Änderung	+ 1.2 ^ - 5.3	- o.7 -. ι 1^u5 + o.8	- o. 2 I C 3.8 * i + 3.6

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Der Bereich der Eingangsvariation beträgt bis zu 1/3. Entsprechend diesem Experiment nimmt nicht nur^P selbst ab, sondern auch die Flußratenänderungen aufgrund der Gasqualität zum Zeitpunkt des niedrigsten Einganges werden verringert. Was den Einfluß der Flußratenänderungen aufgrund der G_asqualität zum Zeitpunkt des niedrigsten Einganges anbelangt, ist das Ergebnis vom Durchmesser 8»25 besser, jedoch, da der Druckverlust, der zu dem Druckregulator 5 gehört, zunimmt und somit /\ P zunimmt, wenn der Zuführungsdruck abnimmt, müssen für den Fall des Hausgebrauches die Gründe für das Auftreten von ^ P, soweit sie beschrieben sind, vorsichtig betrachtet werden. Weitere Gründe für das Auftreten von Q P sind beispielsweise Änderungen im Druck, der durch di.e Einstellschraube während der Herstellung eingestellt wird, und die Steifheit des Diaphragmas aufgrund von Temperaturen.

Die Hauptgründe für β P, die durch die Gleichung 5 angegeben werden, wurden in soweit beschrieben. Was den Druckregulator 5» wie er oben beschrieben wurde, anbelangt, ändert sich das Überschußluftverhältnis innerhalb des in Figur 5 dargestellten Bereichs. Es soll angenommen werden, daß der Druckunterschied Pai - Pn, der durch den Injektor erzeugt wird, in Verbindung mit der Luftmenge zum Zeitpunkt des geringsten Einganges 5 mm aq beträgt, und daß der erlaubte Bereich des Überschußluftverhältnisses M von + 2o$ bis -2o$ in Abhängigkeit von den Brennerbedingungen beträgt. Dann muß J P so gesteuert werden, daß die Werte zwischen - I.56 mm aq und + 2.81mm aq und insbesondere zwischen - 1.5 mm aq und + 1.5 mm aq liegen. Dieser Bereich von/) P muß unter jeden Umständen aufrechterhalten werden.

Somit folgt, daß, wenn der in dem Injektor 2 erzeugte Druckunterschied mit der gleichen Luftmenge vergrößert werden kann, ^ P größer werden kann. Jedoch sind auch in dieser Hinsicht Begrenzungen, da ein Anwachsen des Druckunterschiedes Pai - Pn dazu führt, daß nicht nur die Größe des Gebläses zunimmt, womit ein Anwachsen des Druckverlustes in dem Injektor verbunden

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ist, sondern auch, der absolute Wert von Pai. In Hausgas — Leitungen ist jedoch der Zufiihrungsdruck begrenzt und insbesondere für den Fall von Stadtgas muß gesagt werden, daß der Zuführungsdruck manchmal auf 5o mm aq abfällt. Falls weiterhin die Zuführungs- u.Ablaßzylinder der Außenluft ausgesetzt sind kann eine Windgeschwindigkeit von 2o m pro Sekunde, die auf sie aufgrifft, einen internen Druckanstieg von 15 bis 2o mm aq verursachen. Da dieser interne Druckanstieg zu einem Zunehmen des absoluten Wertes von Pai führt, folgt daraus, daß der Gas zufiihrungsdruck um 15 bis 2o mm aq abgesenkt wird, wenn er als β P, dargestellt durch Pgo - Pai betrachtet wird. Als Ergebnis ist, selbsjfc wenn der Ventilkörper 16 des Druckregulators 5 voll geöffnet ist, Pgo immer noch kleiner als Pai, so daß die unzureichende Gasmenge eine Zunahme des Uberschußluftverhältnisses verursacht. Sinngemäß kann, außer wenn das Gas von einem Verstärker oder einem Gasrohr mittleren Drucks wie beispielsweise bei Industrieanwendungen zugeführt wird,β P nicht auf Null reduziert werden, selbst wenn ein großes Gebläse verwendet wird. Für Anwendungen in Wohnhäusern ist es wichtig, den effektiven Druckunterschied Pai - Pn anzuheben, ohne daß der Druck Pai im Einlaßabschnitt 8 des Injektors 2 zunimmt, und die Erfindung ist in diesem Punkt zu sehen.

Der Injektor 2 ist so wie in Figur 2 angegeben angeordnet. Da die Luftflußrichtung vektoriell mit der Richtung des Gasoder Brennstoffflusses koinzidiert, können kaum Störungen aufgrund von Überlagerungen zwischen den beiden Fluiden auftreten, und der Verlust an kinetischer Energie kann im Vergleich zu einem Venturi-Mischer für industrielle Verwendung verringert werden, bei dem die Richtung des Luftflusses, senkrecht zur Gasflußrichtung ist. Dies ist dort vorteilhaft, wo das Mischen in einem Abschnitt stattfindet, bei dem Verluste auftreten, beispielsweise in dem eingeengten Abschnitt 1o.

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Venn der Innendurchmesser D des eingeengten Bereichs 1o als konstant angenommen wird, kann die Beziehung zwischen seiner Länge £-t, dem Außendurchmesser d der Brennstoffsuführungsöffnung und dem Druckverlust wie im folgenden beschrieben werden. Außerdem wird der Druckverlust, wie er hier definiert ist, durch die folgende Gleichung dargestellt..

P£oss = Pai - Pao (7)

Pao": Druck in der Luft, die direkt den verbreiterten Abschnitt 11 verläßt

P^oss: Druckverlust am Injektor 2.

Die Figuren SA und 8B zeilen die Beziehung zwischen dem Druck-Verlust und der eingeblasenen Gasmenge', wenn eine feste Luft-Menge fließt, während die Gasmenge von' der Brennstoffeinführungsöffnung 12 allmählich erhöht wird« Wenn kein Gas eingeführt wird, ist der Druckverlust klein, und ein Experiment„ das eine niedrigere Gaszuführungsrate als Luftzuführungsrate aufweist, hat gezeigt, daß der Druckverlust zum Ansteigen mit ansteigender Gas» menge tendiert. Wenn d/D groß ist und somit die Luftzuführungsfläche klein ist, ist der Druckverlust groß und Änderungen aufgrund der Gasmenge sind ebenfalls groß. Der Druckverlust ändert sich natürlich mit £t/D, und die Neigung zur Änderung aufgrund der Gasmenge ändert sich ebenfalls» Der Druckwirkungsgrad Ώ , der dem Injektor 2 zugeordnet ist, wird im folgenden betrachtet.

__ (Pai - Pn) - P^oss _ Pao - Pn /q\ X ~ Pai - Pn ~ Pai - Pn ^ '

Es ist wünschenswert, daß dieser Wirkungsgrad T^ so hoch wie möglich ist. Ein Experiment hat das in Figur 9 dargestellte Ergebnis geliefert. Wie dort dargestellt nimmt der Wirkungsgrad zu, wenn d/D abnimmt« An dem Punkt, an dem der Wirkungsgrad bezüglich C*/^ aitjhöchsten ist, nimmt l^t/Ώ ebenso wie d/D zu. Figur 9 entstand dadurch, daß ein Experiment wie in Figur 8 durchgeführt wurde, um den tatsächlichen effektiven Pai - Pn

he bei jeweiligen Beträgen des eingeblasenen Gases ^vrauszufinden und die Druckwirkungsgradkurven davon zu berechnen sowie von den zugehörigen Druckverlusten. Es wurden die Punkte aufgezeichnet, bei denen der Wirkungsgrad am niedrigsten liegt.

Falls d/B klein gehalten wird, ist der Druckwirkungsgrad hoch und ^t/D kann abnehmen, was von Vorteil ist. Jedoch kann bei Anwendung in Wohnhäusern Pai aus den oben erwähnten Gründen nicht sehr groß gemacht werden, und da Pgo ebenfalls niedrig ist, existiert eine Grenze,daß, um zumindest die erforderliche Plußrate von brennstoff vorzusehen, d nicht so klein gemacht werden kann. Weiterhin zeigt Figur 1o Konzentrationsverteilungen von Luft und Gas, die durch die Auslaßfläche des vergrößerten Abschnittes 11 des Injektors 2 passieren, wobei d/D bei gegebenem ßt/Ό als Parameter verwendet wird. Das Ergebnis ist, daß, je größer d/D ist, die Konzentrationsverteilung immer gleichmäßiger wird. Bei dem Brenner 3 ist es, außer daß das Überschußluftverhältnis in dein vorbestimmten Bereich liegt, wünschenswert, daß das Überschußluftverhältnis für jedes Flammenloch gesteuert wird. Obwohl die Gleichmäßigkeit in der Konzentrationsverteilung zwischen dem Injektor 2 und dem Brenner 3 verbessert wird, ist es unnötig zu sagen, daß sie an dem Injektor 2 selbst günstigerweise zu verbessern ist. Aus den experimentellen Ergebnissen wurde herausgefunden, daß für £t/l) ο„5 bis 3 und für d/D o,3 bis o.5 optimale Werte vom Standpunkt des Druckwirkungsgrades und dei~ Konzentrationsverteilung sind. Die örtlichen Verhältnisse zwischen dem vorderen Ende der Brennstoffzuführungsöffnung 12 und dem eingeengten Bereich 1o werden nun beschrieben. Wenn die Entfernung zwischen dem vorderen Ende und der Einlaßendfläche des eingeengten Bereichs 1o durch Gn dargestellt wird, sind die somit erhaltenen Druckverluste und der erzeugte effektive Druckunterschied die in Figur 11 dargestellten Werte. Somit kann gesehen werden, daß bei einer Zunahme des Abstandes von der Einlaßendfläche der erzeugte effektive Druckunterschied zu einer Abnahme tendiert, so daß, wenn der Abstand über 25 $ des Innendurchmessers des eingeengten Bereichs liegt, der Unterschied stark abfällt. Weiterhin, wenn das vordere Ende in den eingeengten Abschnitt über die Einlaßendfläche hinaus eintritt, sinkt ,

der
da das Gebiet Luftzufuhr ungeändert bleibt, der erzeugte

effektive Druckunterschied nicht

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Vielmehr nimmt er um einen Betrag zu, der der Reibung entspricht.

Jedoch beginnt sich der Druckwirkungsgrad zu verringern. Dementsprechend ist die Schlußfolgerung, daß es, was die Stellung anbetrifft,, bei der zumindest ein vorgegebener erzeugter effektiver Druckunterschied erhalten wird und Druckwirkungsgrad hoch istj, vorzuziehen ist, daß das vordere Ende der BrennstoffZuführungsöffnung 12 um das ο«25-fache des Durchmessers des eingeengten Bereiches entfernt vor oder hinter der Einlaßendfläche liegt. "Was den vergrößerten Abschnitt 11 anbelangt, ist das Ergebnis, daß, wie allgemein bekannt, ein VergrößerungsxdLnkel von etwa 8 einen minimalen Druckabfall verursacht.

Der Injektor 2 ist unter Ansehung der obigen Faktoren angeordnet worden, so daß es möglich wurde, einen großen effektiven Druckunterschied zu erhalten, während der Druckverlust abnimmt. Somit wurde es möglich, eine Vorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, in zufriedenstellender Weise das Überschußluftverhältnis zu steuern, selbst wenn der Gasdruck niedrig ist. Für den Fall von Gas ändert sich die Flußrate des Brennstoffes selbst dann, falls der Eingang der gleiche bleibt, jedoch in diesem Fall kann die in Gleichung 2 angegebene Konstante Kg geändert werden. Konkret gesagt, wird nur die Düse 13 ausgetauscht, um der Situation angepaßt zu werden. Der Druckregulator 5 und der Injektor 2 brauchen nicht geändert zu werden, selbst wenn die Gasqualität sich ändert. Falls ein Ein/Ausventil auf der Brennstoffseite eingefügt ist, um die Zufuhr entsprechend der Notwendigkeit ein- und auszuschalten, ist es vorzuziehen, es zwischen dem Druckregulator und dem Injektor 2, wie es in Figur 1 dargestellt ist, einzufügen, da in den Fällen, bei denen der Gasdruck bei häuslicher Anwendung abgesenkt ist, umά Ρ gleich Null zu halten, der ZufUhruηgsdruck, der den Druckregulator erreicht, höher als Pai sein muß.

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Das bedeutet j daß der Druckverlust oberhalb des Druckregulators 5 sov/eit wie möglich reduziert werden muß» Das Solenoid Ein/Aus-Ventil ist mit einem Druckverlust von mehreren ram aq bis einigen zehn mm aq behaftet und ist somit als führender Faktor zur Bestimmung der Konstante Kg₅₁ die in Gleichung 2 angegeben ist, anzusehen. Demgemäß ist die in Figur 1 dargestellte Anordnung sehr wirkungsvoll, um die Änderungen des Überschußluftverhältnisses bezüglich des Absenkere des Gasdruckes zu vernachlässigen. Es soll beispielsweise angenommen werden, daß der Druckverlust des Solenoid Ein/Ausventils 1o mm aq beträgt, dann soll der Gasdruck berechnet werden, der ein 2o$-iges Überschußluftverhältnis bezüglich des Überschußluftverhältnisses, das einem Gasdruck von 1oo m aq zugeordnet ist, anwachsen läßt. Falls ein Druck von 6o nun aq existiert, wenn es strömungsmäßig vor dem Druckregulator 5 angeordnet ist, folgt, daß die Anordnung von Figur 1 einem Gasdruckabfall bis zur Grenze von 5o mm aq widerstehen kann.

Entsprechend der Steuerungsvorrichtungen nach der Erfindung wird es, da die Flußrate des Brennstoffes in Verbindung mit der Luftmenge für die Verbrennung geregelt werden kann, möglich, den Eingang einfach durch eine Steuerung der Luftmenge vom Gebläse 1 zu steuern. Ganz allgemein für Anwendungen in Wohnhäusern ist es von dem Gesichtspunkt der guten Handhabbarkeit und der Energiesparung notwendig, daß der Eingang in Abhängigkeit von der Belastung gesteuert werden kann. In dieser Hinwicht ist die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht zu steuern.

Außerdem wird in Figur 1 die Luft als Primärluft zugeführt, falls jedoch Sekundärluft erforderlich ist, kann sie von dem Luftzuführungsdurchlaß k über einen Abzweig' direkt dem Brenner 3 zugeführt werden. In diesem Fall also kann das Verhältnis zwischen der Primärluft, der Sekundärluft und der Brennstoffflußrate konstant gehalten werden, da das Verhältnis zwischen der Primärluft und der Sekundärluft vorgegeben werden kann.

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kann gemäß der Erfindung} selbst wenn Änderungen in der Zuführung, in dem Brennstoffzufuhrungsdruck und in dsm Außenwinddmack existieren, das Überschußluftverhültnis im wesentlichen konstant gehalten werden,, um eine perfekte Verbrennung zu sichern, und darüberhinaus wird eine Ver~ ringerung- des Wirkungsgrades aufgrund geringer Zufuhr ver~ mieden» Insbesondere ist,, da die Vorrichtung zur Verwendung mit niedrigen Drucken durch ein Vergrößern des Druckwirkungs· grades in dem Luft/Brennstoffmischabschnitt ausgelegt ist,

nicht aur das Gebläse" in der Größe kleingehalten,, vielmeh.r ist di© Vorrichtung auch für eine Verwendung- in Wohnhäusern geeignet»

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1)]Verbrennungssteuerungsvorrichtung, gekennzeichnet durch

1. einen Brenner (3) mit Vormischung, der Primärluft erfordert,

2. einen Injektor (2), der in einem Primärluftzuführungsdurchlaß (4) angeordnet ist und einen eingeengten Bereich (io) von im wesentlichen gleichem Durchmesser und von einer Länge, die etwa dem o,5 t>is 3-fachen des Durchmessers ent-

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spricht, sitzt,

3. einen vergrößerten Abschnitt (11), der mit dem eingeengten Bereich (io) und einer Brennstoffeinführungsöffnung (12) in Verbindung steht, die

3.1. koaxial mit dem eingeengten Bereich (io) ausgebildet ist,

3.2. einen Außendurchmesser von 0,3 bis O₉ 5-fachen des Innendurchmessers des eingeengten Bereichs besitzt, und 3.3» in einer Lage angeordnet ist, die um das - o,25-fache des Innendurchmessers des eingeengten Bereichs (io) von der Einlaßendfläche beabstandet ist,

4. einen Druckregulator (5)> der

4.1. in einem Brennstof fzufiihrungsdurchlaß (7) angeordnet ist,

4.2. in Verbindung mit der Brennstoffeinführungsöffnung (12) steht,

4.3. derart ausgelegt ist, daß der Druckunterschied zwischen dem Auslaß (19) des Regulators (5) und dem Einlaß des Injektors (2) in dem Bereich von + 5o $ bis - 3o fo des Druckunterschiedes liegen kann, der zwischen dem Einlaß und dem begrenzten Bereich (io) des Injektors (2) auf der Grundlage der Primär-

Zei t
luftmenge zur aes geringsten Eingangs auftritt, und

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k.k, durch den Druck in dem Einlaßabschnitt des Injektors (2) gesteuert wird, wodurch Primärluft und Brennstoff dem Brenner (3) mit einem vorgegebenen Überschußluftverhältnis zugeführt wird.

2) Verbrennungssteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoff-Ein»Aus-Ventil(6) in dem BrennstoffZuführungsdurchlaß (77 zwischen der Brennstoffeinführungsöffnung (12) und dem Druckregulator (5) angeordnet ist.

3) Verbrennungssteuerungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Auslaßabschnitt (19) des Druckregulators (5) derart eingestellt ist, daß er in dem Bereich von - 1,5 mm aq bezüglich des Drucks in dem Einlaßabschnitt (1^) des Injektors (5) liegt.

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