DE2932307A1 - Vorrichtung zur steuerung der erwaermung eines fluids - Google Patents

Description

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ADENAUERALLEE 30 · 2000 HAMBURG 1 . TELEFON (040) 24 45 23

Aktenzeichen; Neuanmeldung

Anmelderin; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Osaka

Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung eines Fluids

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung eines Fluids. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Brennstoffversorgung zur Temperaturregelung des zu erhitzenden Fluids.

Es ist bereits bekannt, Gas als Brennstoff im Verhältnis zur Wasserzuführung beispielsweise bei Wassererhitzer zuzuführen. Einige dieser Vorrichtungen sind dazu ausgelegt, die Temperatur des zu erwärmenden Wassers zu erfassen, um die Gaszuführung zu steuern, beispielsweise mit einem Thermistor, um elektrisch die Temperatur zu ermitteln, sowie mit einem elektromagnetischen Gassteuerventil zur Steuerung der Gaszufuhr. Derartige Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie im Aufbau|complex und außerdem teuer sind. Vorrichtungen, bei denen die Temperatur mechanisch erfaßt wird, verwenden die thermische Expansion und sind somit in der Praxis nicht gut verwendbar, da der Detektor eine große Wärmekapazität hat, was zu deutlichen Übergangsänderungen in der Temperatur führt. Vorrichtungen anderer Art sind bekannt, die geeignet sind, die Gaszufuhr proportional zur Wasserzufuhr zu steuern, beispielsweise wie in dem veröffentlichten japanischen Gebrauchsmuster 38623/1974 offenbart. Bei dieser offenbarten Vorrichtung wird die Druckdifferenz in der Wasserzuführung im Gleichgewicht mit der Druckdifferenz in der Gaszuführung gehalten, wobei das Produkt einer Membranfläche und eines Hebelverhältnisses verwendet wird, da jedoch Wasser einen ca. 6OO- bis 2000-fach größeres spezifisches Gewicht als Gas hat, ist die Membran- oder Diaphragmafläche extrem groß oder das Hebelverhältnis ist sehr

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hoch, wodurch die Steuervorrichtung sehr groß wird. Weiterhin ist die Steuerkraft der Membran verhältnismäßig klein, so daß der Nachteil besteht, daß Reibungskräfte, die in dem Dichtungsabschnitt oder dem Hebelmechanismus liegen, nachteilig das Proportionalverhältnis zwischen der Wasserversorgung und der Gaszufuhr beeinträchtigen. Die veröffentlichte ungeprüfte japanische Gebrauchsmusteranmeldung No. 3472V976 offenbart weiterhin eine Vorrichtung mit einer Gaszuführsteuereinheit, die einen vorgesteuerten Druckregulator aufweist, so daß die Gaszuführung in Übereinstimmung mit einer geringen Verschiebung einer die Wasserversorgung erfassenden Membran gesteuert wird. Dementsprechend erfordert die Vorrichtung eine hohe Verarbeitungspräzision, besitzt einen komplexen Aufbau und ist schwierig bei üblichen Anwendungen im Haushalt zu verwenden.

In einer Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung eines Fluids, bei der Brennstoff im Verhältnis zur Flußrate des zu erwärmenden Fluids zugeführt wird, um das Fluid auf eine im wesentlichen konstante Temperatur unabhängig von der Flußrate des Fluids zu erhitzen, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Brennstoffversorgung in Abhängigkeit der Flußrate des Fluids bei verbesserter Genauigkeit zu steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung des Erwärmens eines Fluids vor mit einem Detektor zur Erfassung der Flußrate des Fluids in Abhängigkeit einer Druckdifferenz, einer Druckaufnahmeejinheit zur Konvertierung der Druckdifferenz in eine Kraft, einerSteuerfeder, die auf eine Brennstoffdrucksteuereinheit für einen Brenner wirkt, einer Hebelanordnung, um die Druckaufnahmeeinheit mit der Steuerfeder zu verbinden, und einerDetektorfeder, die im Gleichgewicht mit dem Ausgang der Druckaufnahmeexnheit wirkt.

Die vorliegende Erfindung sieht in einer bevorzugten Ausführungsform eine Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung eines Fluids vor, die leicht einstellbar ist, und mit verschiedenen Brennstoff arten verwendet werden kann.

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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht eine Vorrichtung zur Steuerung des Erwärmens eines Fluids vor, wobei Verhältniskorrekturmaßnahmen vorgesehen sind, um das Verhältnis zwischen der Flußrate des Fluids und der Zuführung von Brennstoff mit einem bestimmten Wärmeaustauschwirkungsgrad zu korrigieren vor, um das Fluid auf eine konstante Temperatur zu erwärmen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung des Fluids eine erhöhte Sicherheit durch ein Begrenzen der Brennstoffmenge eines Brenners auf einen vorgegebenen Bereich gewährleistet wird.

Schließlich sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, in der das Verhältnis der Fluidflußrate und der Brennstoffzuführung leicht abgeändert werden kann, um die Temperatur abzuändern, auf die das Fluid erhitzt werden soll.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der Fluiderwärmung; Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Charakteristiken eines Venturirohres und einer Druckaufnahmeeinheit zeigt;

Fig. 3 ist die graphische Darstellung der Charakteristiken einer Hebelanordnung und einer Brennstoffdrucksteuereinheitj Fig. h ist die graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Druckdifferenz des Venturirohrs und dem Gasversorgungsdruck zeigt;

Fig. 5 ist die graphische Darstellung, di© das Verhältnis zwischen der Wasserzufuhr und der Gaszufuhr darstellt; Fig.bist die Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 ist eine Ansicht entlang der Linie VII-VII in Fig. 6 und zeigt eine Hebelanordnung;

Fig. 8 ist die graphische Darstellung der Temperatursteuerung; Fig. 9 ist eine graphische Darstellung des thermischen Wirkungsgrades ;

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Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Wasserzuführung und der Gaszuführung zeigt, wenn der thermische Wirkungsgrad korrigiert ist; Fig. 11 ist eine Darstellung, die die Eigenschaften der Hebelanordnung und der Brennstoffdrucksteuereinheit zeigt, wenn der thermische Wirkungsgrad korrigiert ist.

Fig. 1 zeigt einen Gas-Wassererwärmer mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Wasser wird von einem Wasserrohr 1 einem Venturirohr k zugeführt, das eine Verengung 2 und zusammenhängend damit einen Zerstäuber 3 hat, anschließend wird das Wasser durch einen Wärmeaustauscher 7 erwärmt und von einem Hahn 8 entnommen. Der Wasserdruck vor der Einengung 2 des Venturirohres k wird durch einen Hochdruckauslaß 5 erfaßt, und der Druck des Wassers in der Einengung 2 mit einem Niederdruckauslaß 6, die jeweiligen Drücke werden einer Druckaufnahrneeinheit 13 zugeführt und einer Gasventilbetätigungsvorrichtung 29, die später zu beschreiben ist.

Gas wird von einer Gasleitung 9 herangeführt, läuft durch ein Gasventil 10, wird dann durch eine Brennstoffdrucksteuereinheit 11 gesteuert, um den Druck in Übereinstimmung mit dem Wasserdruck einzustellen, und anschließend in einem Brenner 12 verbrannt. Die Druckaufnahmeeinheit 13 umfaßt eine Hauptmembran ik, zwei Gleichgewichtsmembranen 15, 16 mit einem kleineren Durchmesser als die Hauptmembran 14, die konzentrisch mit ihr angeordnet sind, und eine Betätigungsstange 19» um diese drei Membranen 14, 15 und 16 fest zusammenzuhalten. Eine der Druckkammern, die durch die drei Membranen begrenzt sind und dazwischen ausgebildet sind, ist eine Hochdruckkammer 17» die mit dem Hochdruckauslaß 5 verbunden ist. Die andere Druckkammer ist eine Niederdruckkammer 18 und ist mit dem Niederdruckauslaß 6 verbunden. Die Gleichgewichtsmembranen 15 und 16 sind dem At„'jnosphärendruck an ihren Außenseiten ausgesetzt. Eine Detektorfeder 20 wirkt auf das obere Ende der Betätigungsstange 19 in Richtung von der Niederdruckkammer 18 zur Hochdruckkammer 17. Die Betätigungsstange 19 ist mit ihrem Lagerabschnitt 19b in Eingriff mit einem Betätigungshebel 21. Vermittels dieser Anordnung von Elementen zu einem Hebelstift 22 .wirxL die Verschiebung der

QRIQINAl. INSPECTED

Betätigungsstange 19 am freien Ende des Betätigungshebels 21 vergrößert.

Die Brennstoffdrucksteuereinheit 11 umfaßt eine Ventilscheibe 2k zur Veränderung der Ventilöffnung Zh in dem Gasflußdurchlaß. Die Ventilscheibe 23 ist an einer Brennstoffmembran 25 befestigt. Eine Steuerfeder 26 wirkt mit ihrem einen Ende auf die Membran 25 in Richtung zur Öffnung der Ventilscheibe 23, das andere Ende wirkt gegen eine Druckeinstellschraube 27» die in die Innenseite eines Schlittens 28 eingeschraubt ist, der in die Öffnungs- und Schließrichtung der Ventilscheibe 23 gleiten kann. Die Druckeinstellschraube 27 ändert, wenn sie gedreht wird, die Belastung der Steuerfeder 26, die auf die Brennstoffmembran 25 wirkt unabhängig von der Verschiebung des Betätigungshebels 21. Der Druck des Gases, das in die Brennstoffdrucksteuereinheit 11 fließt, wirkt sowohl auf die Membran 25 als auch auf die Ventilischeibe 23, da jedoch die wirksame Fläche der Brennstoffmembran 25, die dem Gasdruck ausgesetzt ist, so ausgelegt ist, daß sie in etwa gleich der Fläche der Ventilöffnung 2k ist, ist die Kraft, die auf die Membran 25 wirkt, um das Ventil 23 zu schließen, und die Kraft, die auf das Ventil 23 selbst wirkt, um das Ventil zu öffnen, im wesentlichen gleich, jedoch entgegengesetzt, mit dem Ergebnis, daß der Gasdruck keine Kraft hervorruft, die die Scheibe 23 bewegen würde. Auf der anderen Seite wirkt der Druck des Gases, der gesteuert ist, wenn das Gas durch die Ventilöffnung Zk als Zufuhr zu dem Brenner 12 geströmt ist, auf d^s Ventil 23, um das Ventil zu schließen. Das Ventil 23 bleibt stationär in seiner Stellung, wenn dieser Druck ins Gleichgewicht mit der Kraft der Steuerfeder 26 kommt, die zur Öffnung der Ventilscheibe 23 wirkt. Somit wird der Versorgungsdruck des Brenners 12 automatisch in Übereinstimmung mit der Belastung der Steuerfeder 26 eingestellt. Wenn der Schlitten 28 stationär bleibt, ändert sich die Belastung der Steuerfeder 26 nicht, so daß, wenn der Druck des einfließenden Gases sich ändert, die Ventilscheibe 23 sich in Übereinstimmung mit der Änderung bewegt, wie es der

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Fall bei üblichen Gasdruckregulatoren ist, so daß der Gaszuführungsdruck zum Brenner 12 im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Schlitten 28, wenn er verschoben wird, gibt eine geänderte Belastung für die Steuerfeder 26, wodurch der Gasver sorgungsdruck abgeändert wird.

Die Gasbetätigungsvorrichtung 29 ist mit dem Hochdruckauslaß 5 und dem Niederdruckauslaß 6 des Venturirohres 4 derart verbunden, daß der Druckunterschied dazwischen eine Kraft hervorruft, die zum Öffnen oder Schließen des Gasventils 10 in dem Gaskreis dient.

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Im folgenden wird eine Beschreibung der relativen Proportion zwischen der Wasserzufuhr und der Gaszufuhr gemäß der Erfindung gegeben. Die Beziehung zwischen der Wasserzufuhr Qw an dem Venturi in Fig. 1 und der gegebenen Druckdifferenz Pw ist wie folgt:

Pw = k_wQw² (i)

wobei k eine Konstante ist, die von der Form des Venturirohres h und der Art des Fluids abhängt. Da die Druckdifferenz 4 Pw der Hochdruckkammer 17 und der Niederdruckkammer 18 der Druckaufn&hmeeinheit 13 zugeführt wird, ist die Kraft Fw, die durch die Einheit 13 erzeugt wird, folgende:

Fw = (S - s) ^Pw (2)

wobei S die effektive Druckaufnahmefläche der Hauptmembran lk und s die effektive Druckaufnahmefläche der Gleichgewichtsmembran 15 und 16 ist. Falls ^S=S-S, wird der Betätigungshebel 21 durch eine Änderung der Kraft £S&Pw verschoben. Es soll angenommen werden, daß die Entfernung vom Hebelstift 22 zur Stellung 19b» an der die Betätigungsstange 19 in Eingriff mit dem Betätigungshebel 21 ist, X ist und die Entfernung vom Hebelstift 22 zur Stellung, an der der Hebel 21 in Berührung mit dem Schlitten 28 steht, Y ist, die Verschiebung des Betätigungshebels 21 aufgrund der Änderung ^Qw der Wasserversorgung ^jχ an der Stelle 19b undAy an der Stelle der Berührung zwischen dem Hebel 21 und dem Schlitten 28 ist, die Federkonstante der Detektorfeder 20 K und die Federkonstante der Steuerfeder 26 k ist, dann gilt folgende Gleichung:

^ S^PwX = ^xKX +4ykY (3)

Falls der Betätigungshebel 21 ein starrer Körper ist, gilt folgende Gleichung:

I = ££ *«C (²O

x ax

wobei^C das Hebelverhältnis ist. Aus Gleichung (3) und Gleichung (h) ergibt sich:

4 S₀Pw = ( K +<£k)ay (5)

^y ist die Kraftänderung der Steuerfeder 2.6 und weiterhin die Änderung β Pg des Gaezuführungsdrucks zum Brenner 12.

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Es soll angenommen werden, daß die wirksame Druckaufnahmefläche der Brenn s to ff membran 25, nämliel^ die Fläche der Ventilöffnung 24, A ist:

Δ PgA = Δ yk (⁶)

dementsprechend gilt:

Es soll angenommen werden, daß die Integrationskonstante C ist,

Palls Pg auf Null gesteuert wird, wenn Pw = O, dann gilt

G «a O

Z ⁺

Allgemein gilt folgende Beziehung zwischen dem Gasdruck Pg und der Gasversorgung Qg:

Pg = kg Qg² (10)

worin kg eine Konstante ist, die von der Form und den Ausmaßen des Gasrohres zum Brenner 12 und von der Art des Gases abhängt.

Aus den Gleichungen (i), (2) und (io) ergibt sich:

Qg = / _w £S Ic , *

' kg A K ^yw ^¹¹'

Somit wird das Gas mit der Rate Qg in Abhängigkeit von der Wasserzufuhr Qw zugeführt.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen der Wasserversorgung Qw und der Druckdifferenz Pw im Venturirohr k, nämlich die Beziehung der Gleichung (i), und das Verhältnis zwischen dem Druckunterschied Pw in der Druckaufnahmeeinheit 13 und der Kraft Fw, nämlich das Verhältnis aus Gleichung (2). Fig. 3 zeigt das Verhältnis der Kraft Fw, die durch die Druckaufnahmeeinheit 13 erzeugt wird,

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mit der Verschiebung ^x der Betätigungsstange 19 und der Verschiebung ^y des Hebels 21, weiterhin zeigt Fig. 3 die Änderung ^Pg aufgrund von ^y. Fig. k zeigt das Verhältnis zwischen dem Gaszufuhrdruck Pg und der Gaszufuhr Qg, also Gleichung (io). Fig. 5 zeigt das Verhältnis zwischen der Vasserzuführung Qw und der Gaszufuhr Qg.

Die Verschiebung des Betätigungshebels 21 ändert in der Tat die effektive Druckaufnahmefläche der Membranen, und mechanische Reibungskräfte beeinträchtigen nachteilig das Proportionalverhältnis nach Gleichung (i) insbesondere bei geringen Wasserzufuhrmengen. Zusätzlich unterliegt bei geringen Raten der Gaszuführung der Brenner 12 einer unvollständigen Verbrennung, oder die Flamme wird nicht von Brenner zu Brenner in dem Fall übertragen, bei dem eine größere Anzahl von Brennern verwendet wird. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Gasversorgung in dem Bereich von Zuführungen lediglich kleiner Wassermengen zu stoppen. Somit wird der Druckunterschied in dem Venturirohr der Gasventilbetätigungsvorrichtung 29 zugeführt, damit das Gasventil 10 den Gasfluß in dem Bereich von niedrigen Wasserdurchflußraten stoppt.

Da das spezifische Gewicht des Wassers sich stark, wie bereits erwähnt, von dem des Gases unterscheidet, unterscheidet sich Wasser naturgemäß von Gas bezüglich der zugehörigen Druckdifferenzen. Die Druckdifferenz, die durch das Venturirohr k gegeben wird, sollte zumindest 1.000 mm Aq sein, selbst bei kleinen Wasserdurchsatzraten, um eine genaue Erfassung sicherzustellen, wohingegen der GasZuführungsdruck zum Brenner 12 üblicherweise höchstens 50 bis 250 mm Aq beträgt und auf 5 bis 25 mm Aq gesteuert werden muß in dem Bereich von geringen Gaszuführungsraten. Somit ist das zwischen Pw und Pg erwartete Verhältnis in Gleichung (9) 40 bis 200. In Gleichung (9) bedeutet die Abnahme von ^S eine Reduktion der wirksamen Druckaufnahmefläche der Membran der Druckaufnahmeeinheit 13 und führt somit zu verringerter Erfassung und Genauigkeit, ist somit also unerwünscht. Es existiert eine Grenze für das Anwachsen von A, da die Drucksteuereinheit 11 dann zu groß wird.

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Es ist somit unmöglich, das Verhältnis 4 S zu A in großem Ausmaße zu reduzieren. Jedoch können die Federkonstanten der beiden Federn leicht geändert werden. Die Federkonstante ist durch ein Verändern des Wendeldurchmessers oder des Drahtdurchmessers möglich, ohne daß die Feder vergrößert wird, während die Genauigkeit eingehalten wird. Ein Hebel kann mit hoher Präzision hergestellt werden, wenn das Hebelverhältnis nicht sehr groß ist. Dementsprechend kann K ., durch ein geeignetes Auswählen der Federkonβtanten K und k für die beiden Federn und des Hebelverhältnisses eC reduziert werden. Da insgesamt das Verhältnis der Federkonstanten bis auf 1.000 oder mehr ohne Schwierigkeiten erhöht werden kann, ist das Pw zu Pg-Verhältnis von ko bis 200 mit hoher Präzision durch^inen einfachen Aufbau erreichbar.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein Wasserzuführrohr 31 steht in Verbindung mit einer Wasserversorgungs· Steuereinheit 32. Wasser fließt in eine Druckkammer Jk mit einer Flußrate, die durch ein Ventil 33 gesteuert wird. Eine Membran 35 und eine Kappe 36 bilden eine Druckkammer 37» de*¹ Druck eines Niedrigdruckabschnittes eines Venturirohres 38 durch eine Bohrung 39 zugeführt wird. Dementsprechend wirken die Drücke der Kammer 3^ und 37 auf die entgegengesetzten Seiten der Membran 35» die deshalb dem Druckunterschied des Venturirohres 38 ausgesetzt ist. Die durch den Druckunterschied erhaltene Kraft ist im Gleichgewicht mit der Belastung einer den Wasserdruck einstellenden Feder kC, die innerhalb der Druckkammer 37 vorgesehen ist und dazu dient, das Wasserzuführungssteuerventil 33 zn betätigen, das gegen die Membran 35 durch eine Feder 4i gehalten ist. Das Wasser, das durch das Steuerventil 33 geregelt ist, fließt in eine Druckkammer k2 undjdann geteilt in das Venturirohr 38 und durch einen Nebenschluß 43. Die Einengung des Venturirohres 38 erzeugt einen Druckunterschied in dem Wasserfluß in das Rohr 38. Der Druck des Niederdruckabschnittes wird der Druckkammer 37» wie bereits erwähnt, zugeführt. Das Wasser durch das Venturirohr 38 läuft durch einen Wärmeaustauscher kk, der mit dem Rohr 38 verbunden ist, wodurch das Wasser aufgeheizt wird.

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Das Wasser, das von der Druckkammer 42 in den Nebenschluß 43 fließt, läuft durch ein Einstellventil 45 und dann durch ein Nebenschlußrohr 46 in einen Mischabschnitt 47 am Ausgang des Wärmeaustauschers 44. Die Druckkammer 42 ist mit einer Membran 48 versehen, die zusammen mit einer Kappe 49 eine Druckkammer 50 bildet. Der D_ruck des Niederdruckabschnittes des Venturirohres 38 wird der Kammer 50 über eine Druckleitung 51 zugeführt. Die Membran 48 bildet eine Gasventilbetätigungsvorrichtung 52 zum Öffnen und Schließen eines Gasventils 56 in Übereinstimmung mit der Wasserzufuhr durch das Venturirohr 38, Ein Ventilstößel 54 arbeitet mit einer Druckaufnahmeplatte 53 zusammen und öffnet das Ventil 56 gegen die Kraft einer Feder 55» die das Ventil schließt. Eine Druckaufnahmeeinheit 58 besitzt eine Membran 59 und ein Gehäuse 60, das eine Druckkammer 61 bildet. Der Druck der Druckkammer 42 wird der Druckkammer 61 durch eine Druckleitung 57 zugeführt. Der Druck des Niederdruckabschnittes des Venturirohres 38 wird durch eine Druckleitung

64 einer Druckkammer 63 zugeführt, die dlurch die Membran 59 und ein Gehäuse 62 gebildet ist. Gas fließt von einem Gaseinlaß

65 ein, läuft dann durch das Gasventil 56 in eine Druckkammer 67 einer Gasdrucksteuereinheit 66, wird der Drucksteuerung durch eine Membran 68, einer Steuerfeder 69 und einer Ventilscheibe 70 unterworfen, fließt durch ein Gasrohr 71 und strömt von einer Brennerdüse 72 aus. Das Gas wird mit Luft gemischt und brennt in einem Brenner 73. Der Druck, auf den das Gas durch die Ventilscheibe 70 gesteuert wird, wird durch die Intensität der Federstärke der Steuerfeder 69 bestimmt. Die Feder 69 steht mit ihrem einen Ende in Eingriff mit einer Druckeinstellschraube 74, die in einen Schlitten 75 eingeschraubt ist. Die Schraube 74 wird auf den gewünschten Druck eingestellt, wenn die Einheit zusammengebaut ist. Nachdem der Druck eingestellt ist, wird die Schraube 74 an dem Schlitten 75 mit Klebstoff befestigt. Der Schlitten 75 ist in einem Zylinderabschnitt einer Kappe 76 gleitend gelagert, Wie aus Fig. 7 zu sehen ist, ist ein Steuerhebel 77 durch einen Hebelstift 78 auf einem Abschnitt 62a des Gehäuses 62 gelagert und trägt an seinem einen Ende einen Betätigungsstab 8O, der mit einer Druckaufnahmeplatte 79 bewegbar ist, die mit der Membran 59 der Druckaufnahmeeitiheit 58 zusammenwirkt.

Das andere Ende des Hebels 77 trägt einen Stift 81, der von dem Schlitten 75 der Brennstoffdrucksteuereinheit 66 hervorsteht. Eine Feder 82 wirkt auf einen Stift 81 und drückt den Schlitten 75 jederzeit gegen den Betätigungshebel 77. Dementsprechend wird, wenn Wasser durch das Venturirohr 38 geströmt ist, die Membran 59 gegen die Wirkung einer Detektorfeder 83 verschoben. Die Verschiebung der Membran 59 wirä Sie Betätigungsstange 80 und den Betätigungshebel 77 auf den Schlitten 75 übertragen, der seinerseits die Steuerfeder 69 zusammendrückt oder auseinanderzieht, wodurch sich entsprechend der Druck der Gaszufuhr zu dem Brenner 73 ändert. Der Betätigungshebel 77 und der Abschnitt 62a des Gehäuses 62 ist mit einer Bohrung 78a ausgebildet, die eine andere als die Bohrung zur Durchführung des Hebelstiftes 78 ist. Wenn der Hebelstift 78 in die Bohrung 78a eingeführt wird, kann ein geändertes Hebelverhältnis erhalten werden. Zusätzlich ist der Betätigungshebel 77 mit einer Schraube 84 versehen, die, wenn sie in Berührung mit dem Gehäuse 62 kommt, den Betätigungshebel 77 daran hindert, sich weiterhin im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 6 zu drehen. Somit sinkt, selbst wenn die Wasserzufuhr nur sehr gering ist, die Gaszufuhr nicht weiter als auf den Wert, der für den niedrigsten Verbrennungsbetrag vorgegeben ist, ab. Weiterhin hat die Druckaufnahmeplatte 79 auf der Membran 59 einen Vorsprung 79a. Wenn der Vorsprung 79a in Berührung mit einem Abschnitt 62 b des Gehäuses 6O steht, dreht sich in Fig. 6 der Betätigungshebel 77 nicht weiter im Uhrzeigersinn, selbst wenn der Druckunterschied an der Membran 59 ansteigt. Als Ergebnis steigt die Gaszufuhr selbst über einen vorgegebenen Wert für den größten Verbrennungsbetrag auch dann nicht an, wenn die Wasserzufuhr stark ansteigt.

Im wesentlichen arbeitet die AusfUhrungsform nach Fig. 6 auf die gleiche Weise wie die Ausführungsform nach Fig. 1. Der Differenzdruck, der durch das Venturirohr 38 erzeugt ist, verschiebt die Membran 59 der Druckaufnahmeeinheit 58 um einen Betrag, der im Gleichgewicht mit der Kraft der Detektorfeder 83 steht, um den Betätigungshebel 77 um den Hebelstift 78 zu drehen.

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Diese Bewegung führt dazu, daß der Schlitten 75 die Kraft der Steuerfeder 6° ändert, um die Gaszufuhr zu steuern. Das Betätigungsventil 45 ändert, wenn es axial verschoben wird, den Widerstand gegenüber dem Fluid, das in den Nebenschluß 43 fließt. Während Wasser von der Druckkammer 42 fließt und geteilt in das Venturirohr 38 und den Nebenschluß 43 eintritt, ändert das Regulierventil 45» wenn es betätigt wird, ebenfalls das Verhältnis der geteilten Ströme. Da die Druckaufnähmeeinheit 58 durch den Differenzdruck angetrieben wird, der durch das Venturirohr 38 erzeugt wird, führt die Änderung in dem Flußverhältnis zwischen dem Venturirohr 38 und dem Nebenschluß 43 zu einer Änderung der Druckdifferenz des Venturirohrs 38 relativ zur Gesamtwasserzufuhr und somit zu einer Änderung des Verhältnisses der Gaszufuhr relativ zur gesamten Wasserzufuhr, wodurch entsprechend die Temperatur des erwärmten Wassers, das in dem Mischerabschnitt 47 zur Verfügung steht, geändert wird. Das Regulierventil 45 dient somit als ein Temperatureinstellventil. Wenn der Öffnungsgrad des Regulierventils fest ist, ändert natürlich die Änderung der Wasserzufuhr nicht das Flußverhältnis zwischen dem Venturirohr 38 und dem Nebenschluß 43» liefert jedoch eine Gaszufuhr im Verhältnis zur Wasserzufuhr. Falls das Regelventil auf einen größeren Wert geöffnet ist, steigt der Wasserfluß durch den Nebenschluß 43 an, womit warmes Wasser verhältnismäßig geringer Temperatur im Mischabschnitt zur Verfugung steht. Wenn umgekehrt das Regelventil 45 geschlossen wird, ist das heiße Wasser mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur zur Verfügung. Aufgrund des Verhältnisses zwischen der zur Verfügung stehenden Heißwassermenge und dem Ansteigen der Temperatur des Wassers, ist eine größere Menge von Wasser mit verhältnismäßig geringer Temperatur zur Verfugung als bei hoher Temperatur. Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Wasserversorgung und dem Temperaturanstieg des Wassers zeigt. Die Kurve A stellt die maximale Ausgabe und Kurve B die steuerbare Minimalabgabe dar, und der Raum zwischen den Kurven A und B bezeichnet den Bereich der zur Verfugung stehenden Abgabe. Die Linie H zeigt eine Hochtemperatureinstellung an, wobei die Temperatur in dem Bereich von b-c liegt.

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Die Linie M zeigt eine mittlere Temperatureinstellung an, wobei die Temperatur in dem Steuerbereich von f-g liegt. Bei der Niedrigtemperatureinstellung nach Linie L stehen große Wassermengen zur Verfugung, jedoch existiert die Notwendigkeit, die Druckverluste, die damit in Verbindung stehen, in den Wasserdurchlässen zu reduzieren, um die Ausgabemenge zu erhöhen. Da die Druckverluste in den Wasserleitungen von Durchlauferhitzern im wesentlichen in dem Venturirohr 38 und dem Wärmeaustauscher hh auftreten, ist ein Nebenschluß dieser Elemente wirkungsvoll zur Verringerung von Druckverlusten, Ein Punkt k in Fig. 8 stellt die Maximalmenge an Wasser dar, wenn das Venturi alleine einen Nebenschluß erhält, und ein Punkt k¹ zeigt das Maximum an, wenn sowohl das Venturirohr 38 als auch der Wärmeaustauscher kk einen Nebenschluß erhalten haben. Nachdem die Wasserzufuhr abgedreht wurde, wird das Wasser in dem Wärmeaustauscher kk aufgrund der Wärmekapazität des Wärmeaustauschers kk und des Vorhandenseins eines Pilot- oder Zündungsbrenners (nicht dargestellt) erhitzt, wobei die Wahrscheinlichkeit besteht, daß heißes Wasser aus dem Wärmeaustauscher strömt, wenn wiederum Wasser zugeführt wird, dies läßt sich jedoch vermeiden, da kaltes Wasser durch den Nebenschluß kl und das Nebenschlußrohr k6 mit dem heißen Wasser in dem Mischabschnitt 47 gemischt wird.

Wenn die Wasserversorgung den Punkt g auf der Linie M der mittleren Temperatureinstellung überschreitet, hat der Brenner seine obere Kapazitätsgrenze und liefert Wasser mit reduzierter Temperatur nach Punkt h. Vom Standpunkt der Temperatursteuerung ist dies nicht wünschenswert; die Wasserversorgung sollte auf den Punkt g beschränkt werden. Aus diesem Grunde wird der DifferenzLaldruck des Venturirohrs 38 der Membran 35 zugeführt und das Wasserversorgungsventil 33 der Wasserversorgungssteuereiiiheit 32 steuert die Wasserversorgung auf einen Wert, der den Punkt g nicht überschreitet. Wenn die Temperatureinstellung geändert wird, ändert sich automatisch der Wasserversorgungssteuerpunkt. Auf diese Weise besitzt das Venturirohr 38 die gleiche Druckdifferenz am Punkt c auf Linie II der Hochtemperatur·

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einstellung und am Punkt g, obwohl die gesamte Wasserversorgung sich unterscheidet, wie es aus Gleichung (9) deutlich ist. Da dieser Druckunterschied der Membran 35 zugeführt wird, ist die Wasserversorgung in den Punkten g und c einstellbar. Kurz gesagt, erhält das Venturirohr 38 den gleichen Druckunterschied in Kurve A aufrecht. Die Wassermenge, die durch das Ventil 33 gesteuert wird, variiert automatisch mit der Änderung der Temperatureinsteilung durch das Einstellventil 45. Somit wird eine eingestellte Temperatur stabil eingehalten, ohne daß die Wassermenge ansteigt.

Das Hebelverhältnis des Betätigungshebels 77 ist durch ein Einfügen eines Hebelstiftes 78 in die Bohrung 78a veränderbar. Stadtgas und Erdgas werden dem Brenner mit unterschiedlichen Drucken zugeführt, da sie unterschiedliche Eigenschaften haben. Die vorliegende Vorrichtung ist für derartig verschiedene Brennstoffe verwendbar, ohne daß eine komplexe Einstellung notwendig ist, vielmehr läßt sich leicht das Hebelverhältnis <£ in Gleichung (ii) verändern, nämlich durch Verschiebung des Hebelstiftes 78.

Falls die Gasaufuhr proportional zu der Wasserzufuhr ist, und der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers konstant bleibt, wird das Wasser auf eine konstante Temperatur aufgeheizt, da die Wärmemenge, die durch das Wasser absorbiert wird, proportional zur Wasserzuführung ist. Der Wärmeaustauschwirkungsgrad jedoch variiert mit dem Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff (Luftüberschußfaktor). Fig. 9 zeigt das Verhältnis zwischen der Verbrennungsmenge und dem Wärmeaustauscherwirkungsgrad. Linie A stellt das Verhältnis dar, was durch einen üblichen Bunsenbrenner bei Normaldruck ohne Steuerung des Luftüberschußfaktors erzielt wird, und Linie B ist das Verhältnis, das sich einstellt, wenn der Luftüberschußfaktor auf einen konstanten Wert gesteuert wird. Wenn die Verbrennungsvorrichtung die Wärmeaustauschgrad-Charakteristika von Linie A hat, wird die Wärme dem Wasser mit einer Rate zugeführt, die höher als die Anstiegsrate der Wasserversorgung ist, wohingegen bei Linie B die Wärmezufuhr mit einer

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niedrigeren Rate als die Einstiegsrate der Wasserzufuhr eintritt. Au3 diesem Grunde ist die von dem Wasser absorbierte Wärmemenge nicht der Änderung der Wasserzufuhr proportional. Dadurch wird es unmöglich, das Wasser auf eine konstante Temperatur aufzuheizen, Die Temperatur kann auf einen konstanten Wert unabhängig von der Wasserversorgung durch ein Variieren des Proportionalverhältnisses der Brennstoffversorgung zur Wasserversorgung angehoben werden, um eine Korrektur bezüglich des Wärmeaustauschwirkungsgrades vorzunehmen. Somit wird für den Fall des Wärmeaustauschwirkungsgrades nach Linie A die Gasversorgung etwas größer als das Proportionalverhältnis eingestellt, wenn die Wasserversorgung so gering ist, wie es durch die Linie A in Fig. 10 dargestellt ist, um die Verminderung in dem Wärmeaustauschwirkungsgrad zu kompensieren, während für den Fall des Wärmeaustauschwirkungsgrades nach Linie B Lu Fig. 9 die Gaszufuhr etwas kleiner als das Proportionalverhältnis eingestellt wird, wenn die Wasserzufuhr so klein ist, wie es in Linie B in Fig. 10 dargestellt ist, um das Ansteigen des Wärmeaustauschwirkungsgrades zu korrigieren. Die Charakteristika in Fig. 10 können verwirklicht werden, indem das Verhältnis Pg = Pg„, nämlich C = Pg_n wenn Pw = 0 in Gleichung (8) eingestellt wird. Genauer gesagt wird die Detektorfeder 83 kürzer gemacht, um eine Verschiebung von X_n zu erzeugen, selbst bei Abwesenheit der Druckdifferenz, wie es aus Fig. 11 zu sehen ist. Die Verschiebung x_Q wird durch den Betätigungshebel 77 vergrößert, was eine Verschiebung von y_n für den Schlitten 75 bedeutet und somit einen GasZuführungsdruck Pg_n liefert. Da die Gasveiitilbetätigungsvorrichtung 52 zu diesem Zeitpunkt noch in Ruhestellung ist, tritt keine Gaszufuhr ein. Aus Gleichung (11) ist die Gaszufuhr relativ zur Wasserzufuhr:

Da die Gaszufuhr größer als das Proportionalverhältnis eingestellt ist, wenn die Wasserzufuhr gering ist, wohingegen Gas nahezu proportional zur Wasserzufuhr herangeführt wird, wenn die Wasserzufuhrmenge größer ist, können Änderungen in der Temperatur des

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zur Verfügung stehenden heißen Wassers aufgrund des Wärmeaustausch-Wirkungsgrades korrigiert werden. Im Falle der Wärmeaustauschwirkungsgrad-Charakterist ika nach Fig. 9» Linie B erzeugt die Verwendung einer längeren Detektorfeder 83 einen Effekt, der umgekehrt zu dem oben beschriebenen ist, was die Charakteristika nach Fig. 10, Linie B bedingt. Andererseits kann die gleiche Korrektur durch die Verwendung einer eingeteilten Steuerfeder 69 verwirklicht werden, nämlich indem die Steuerfeder 69 mit einer größeren Kraft eingesetzt wird, wodurch der GasZuführungsdruck Pg„, der in Fig. 11 dargestellt ist, erhältlich ist.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsformen Durchlaufgas-Wassererhitzer sind, die zur Verwendung mit Wasser als zu erhitzendes Fluid und Gas als Brennstoff ausgelegt sind, können beliebige Fluide und beliebige fluide Brennstoffe verwendet werden. Somit ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt.

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Claims (1)

1. DiPL.-CHEM. dr. HARALCl STACH -""'..:

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   ADENAUERALLEE 30 · 2000 HAMBURG 1 . TELEFON (040) 244523

   Aktenzeichen: Neuanmeldung

   Anmelderin; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Osaka

   PATENTANSPRÜCHE

   / 1. Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung eines Fluids, gekenn- ^—"^zeichnet durch einen Brenner (12), einen Wärmeaustauscher (7)ι einen Detektor (5» 6, 13) zur Erfassung der Flußrate des Fluids in T-ermen einer Druckdifferenz, einer Druckaufnahmeeinheit (13) zur Konvertierung der Druckdifferenz in eine Kraft, um eine Ausgangsgröße abzugeben, eine Detektorfeder (20), die in Gleichgewicht mit der Ausgangsgröße der Druckempfangseinheit wirkt, eine Brennstoffdrucksteuereinheit (11) zur Steuerung des Brennstoffversorgungsdrucks zum Brenner, eine Steuerfeder (26), die auf die Brennstoffdrucksteuereinheit wirkt, und eine Hebelanordnung (2i) zur Verbindung des Ausgangsabschnittes der Drucksteuereinheit mit der Steuerfeder, wodurch der Brennstoffversorgungsdruck im Verhältnis zur Flußrate des zu erhitzenden Fluids gesteuert wird.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorfeder eine größere Federkonstante als die Steuerfeder aufweist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoffsperrventil vorgesehen ist, das durch den durch den Flußratendetektor erfaßten Druckunterschied geöffnet und geschlossen werden kann.

   k. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiphnet, daß eine Vorrichtung zur Einstellung der Belastung der Steuerfeder vorgesehen ist.

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   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelaufbau eine Kraft im veränderbaren Verhältnis überträgt.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate des zu erwärmenden Fluids und die Brennstoffversorgung im wesentlichen proportional zueinander steuerbar sind, und die Druckaufnahmeeinheit, die Hebelanordnung oder die Brennstoff drucksteuereinheit mit einer Vorrichtung versehen ist, um das Proportionalverhältnis gemäß einer Änderung des Wärmeaustauschwirkungsgrades relativ zur Verbrennungsstärke im Brenner und zur Flußrate des Fluids korrigiert werden kann.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufnahmeeinheit, die Hebelanordnung oder die Brennstpffdrucksteuereinheit mit einer Eingriffsvorrichtung zur Regulierung des Verbrennungsbetrags in dem Brenner bei einem vorgegebenen Maximal- oder Minimalwert versehen ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7 t dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffseinheit zur Regulierung der Maximalverbrennungsmenge so ausgelegt ist, daß die Verschiebung einer in der Druckaufnahmeeinheit vorgesehenen Membran begrenzt wird.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffseinheit zur Regulierung der Minimalverbrennungsmenge eine Begrenzung der Verschiebung der HebelanOrdnung aufweist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nebenschluß vorgesehen ist, um sowohl den Flußratendetektor als auch den Wärmeaustauscher zu umgehen, und der Nebenschluß ein Flußregulierungsventil aufweist, wodurch der Druckunterschied, der von dem Flußratendetektor geliefert wird, relativ zur Gesamtflußrate des zu erwärmenden Fluids geändert wird.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flußratensteuereinheit für das zu erhitzende Fluid vorgesehen ist, wobei die Flußratensteuereinheit durch den Druckunterschied, der durch den Flußratendetektor geliefert wird, steuerbar ist. 0 3 0 0 1 0 / 0 7 CU