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Verfahren zum Betreiben einer brennstoffbeheizten
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Wärmequelle und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die früher
eingereichte deutsche Patentanmeldung P 3007214.1 befaßt sich mit einer Armatur
zur Steuerung des Betriebsverhaltens einer brennstoffbeheizten Wärmequelle, bei
der über eine Membranpumpe ein Servodruck vorgegeben wird, der auf eine Reglermembran
einwirkt, die unmittelbar mit einem Brennstoffventil verbunden ist. Je größer somit
über die variable elektrische Beaufschlagung der Membranpumpe der Servodruck ist,
um so größer ist auch der Öffnungsgrad des Brennstoffventils. Bei der brennstoffbeheizten
Wärmequelle gemäß der älteren Patentanmeldung ist nun aber nicht vorgesehen, die
Wärmequelle selbst zuluft- oder abgasseitig durch ein Absperrorgan abzusperren,
und es ist weiterhin nicht daran
gedacht, die Stellung dieses Abperrorganes
zu überwachen.
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Schließlich ist es auch nicht vorgesehen, die Brennstoffzufuhr mit
der Stellung des Absperrorgans zu koppeln, um den Luftüberschuß über die ganze Variation
der von der Wärmequelle erzielbaren thermischen Leistung konstantzuhalten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis
von zugeführter luft und Brennstoff vom Überzündvorgang bis zu Vollast konstantzuhalten.
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Das Verfahren, mit dem die Aufgabe gelöst wird, ist aus dem kennzeichnenden
Teil des Hauptanspruchs ersichtlich. Die Unteransprüche behandeln Ausgestaltungen
des Verfahrens sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
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Der mit der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist darin
zu sehen, daß eine Überwachung der Stellung des Absperrorgans vorgesehen ist und
daß erst nach Erreichen der vorgegebenen Stellung des Absperrorgans die über die
Überzündstellung hinausgehenden möglichen Stellungen des Brennstoffventils freigegeben
werden und daß das Brennstoffventil kontinuierlich der variierenden leistung der
Wärmequelle nachgefahren wird.
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Schließlich ist noch eine Überwachung des Abgases über den Abgaspegel
innerhalb der Wärmequelle vorhanden, so daß bei Überschreiten eines gewissen Grenzwertes
von produziertem Abgas eine Stillsetzung der Wärmequelle durch Unterbinden
weiterer
Brennstoffzufuhr stattfindet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren eins
und zwei der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen Figur eins eine Prinzipdarstellung einer brennstoffbeheizten
Wärmequelle und Figur zwei Details der Armatur und der Steuer- und Regelglieder
In beiden Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
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Eine Wärmequelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dessen Innenraum 3
ein Lamellenwärmetauscher 4 vorgesehen ist. Das Gehäuse 2 weist an seinem unteren
Ende 5 eine Zuluftöffnung auf, in deren Bereich ein Gasbrenner 6 angeordnet ist,
der eine Vielzahl von Injektoren 7 aufweist, die von einer entsprechenden Vielzahl
von Gasdüsen 8 aus einer mit einem Gasventil 9 versehenen Gasleitung 10 gespeist
ist. Das Gasventil 9 wird von einem Stellmotor 11 betätigt, das Gasventil kann eine
Schließstellung und eine Maximalöffnungsstellung sowie jede mögliche Zwischenstellung
einnehmen.
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Am oberen Ende 12 geht das Gehäuse in einem Abgasschacht 13
über,
der mit einer Strömungssicherung 14 versehen ist, der ein Abgasrohr 15 nachgeschaltet
ist, in dem sich ein Absperrorgan 16 befindet, das von einem Motor 17 über eine
Stellwelle 18 verdrehbar ist von einer Schließstellung über eine mögliche Vielzahl
von Öffnungsstellungen bis zu einer Maximalöffnungsstellung.
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An der Welle 18 ist ein Nocken 19 angebracht, der so gegenüber dem
Absperrorgan 16 justiert ist, daß in einer Überzündstellung der Nocken 19 einen
Kontakt eines Mikroschalters 20 betätigt, der über leitungen 21 mit einer Steuereinrichtung
22 verbunden ist. Als Überzündstellung ist die Stellung des Absperrorgans des Gasventils
9 zu verstehen, bei der so viel Gas zum Brenner gelangt, daß der Brenner Flammen
an allen Brennschlitzen erzeugt. Die zugehörige Stellung der Abgasklappe muß bewirken,
daß das erzeugte Verbrennungsgas nach Durchsetzen des Wärmetauschers abgeführt wird,
ohne daß durch die Sogwirkung im Abgasschacht 15 zuviel luft am unteren Ende 5 des
Gehäuses 2 angesaugt und durch den Wärmetauscher transportiert wird.
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Die Steuervorrichtung 22 ist über eine Stelleitung 23 mit dem Motor
17 und über eine Stelleitung 24 mit dem Stellmotor 11 verbunden. Meßleitungen 25
führen zu einem Temperaturfühler 26, der in einer Ausnehmung 27 am Seitenmantel
des Gehäuses 2 etwa auf halber Höhe zwischen Brenner und Wärmetauscher angeordnet
ist. Der Fühler 26 steht im Abstand von der Öffnung.
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Anschlüsse 28 dienen zur Versorgung der Steuervorrichtung von einem
Netzteil.
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Die Steuervorrichtung 22 ist im einzelnen Gegenstand der Figur zwei:
Sie weist.ein Gehäuse 30 auf, das im Zuge der Gasleitung 10 eine Einlaßkammer 31
und eine Auslaßkammer 32 aufweist. Zwischen Ein- und Auslaßkammer befindet sich
ein Ventilsitz 33, der von einem von einer Stange 34 angelenkten Ventilkörper 9,
der unter der Rückstellkraft einer Druckfeder 36 steht, im Ruhezustand verschließbar
ist, wobei die Stellstange 34 mit einem Membranteller 37 einer Regelmembran 11 verbunden
ist, die im Bereich der Auslaßkammer 32 an ihrem Rand druckdicht im Gehäuse 30 eingespannt
ist. Ein- und Auslaßkammer sind somit im Ruhezustand über das verschlossene Ventil
33, 9 voneinander getrennt. Die Membran teilt eine weitere Kammer 39 ab, die über
einen Kanal 40 zu einem Ventilmittelraum 41 führt. Der Ventilmittelraum 41 ist über
zwei Ventilsitze 42 und 43 sowie eine Abströmöffnung 44 begrenzt.
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Von der Gasleitung 10 zweigt eine Zündgasleitung 35 ab, die zu einem
nicht weiter dargestellten Zündbrenner führt. Weiterhin ist im Zuge der Gasleitung
10, auch der Einlaßkammer 31 vorgeschaltet, ein Ventilsitz 38 vorgesehen, der von
einem Ventilkörper 100 beherrscht ist. Dieser Ventilkörper ist von einer Druckfeder
101 gesteuert, die sich gegenüber dem Gehäuse 30 abstützt. An den Ventilkörper 100
greift eine Stellstange 102 an, die zu einem Wasserschalter 103 führt, dessen
Gehäuse
mit dem Gehäuse 30 fest verbunden ist. Der Wasserschalter weist in seinem Inneren
eine Membran 104 auf, an der ein Membranteller 105 angreift, der mit der Stange
102 verbunden ist.
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Die beiden durch die Membran 104 abgeteilten Druckkammern im Inneren
des Wasserschalters sind mit einem Fließdruckgeber im Umlaufkreis des Wasserheizers
oder im Zapfwasserweg des Wasserheizers verbunden, der Wasserschalter 103 bildet
zusammen mit dem Ventil 100/38 eine Wassermangelsicherung.
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Vom Ventilsitz 43 führt ein Kanal 45 zu einer Verzweigungsstelle 46,
von der ein weiterer Kanal 47 zur Auslaßkammer 32 führt. Ein weiterer Kanal 48 führt
zu einer Membrankammer 49, die über eine leitung 50, in der ein Ventilsitz 51 vorgesehen
ist, mit der Abströmöffnung 44 verbunden ist. Mit dem Ventilsitz 51 der von einer
sich gegenüber dem Gehäuse 30 abstützenden Druckfeder 53 in Öffnungstellung bewegbar
ist, korrespondiert ein Ventilkörper 52. Der Ventilkörper 52 ist an einer Membran
54 angelegt, die unter der Wirkung einer Druckfeder 55 steht, die von einer Stellschraube
56 justierbar ist, die ihrerseits in einem Gewinde im Gehäuse 30 gasdicht geführt
ist.
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Auf der der Membrankammer 49 abgewandten Seite der Membran 54 ist
eine weitere Membrankammer 57 gebildet, die über eine Öffnung 58 mit einer weiteren
Membrankammer 59 in Verbindung steht. Diese Membrankammer wird außer von dem Gehäuse
30 von
einer Membran 60 begrenzt, die auf der der Membrankammer
59 abgewandten Seite eine weitere Membrankammer 61 bildet, in welcher eine Druckfeder
62 gelagert ist, die sich gegenüber einer Einstellschraube 63 abstützt, die im Gehäuse
gasdicht in einem Gewinde geführt ist. Die Membrankammer 61 ist über eine kalibrierte
Bohrung 64 mit der Atmosphäre verbunden.
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An die Membran 60 ist ein Ventilkörper 74 angelegt, der mit einem
im Gehäuse 30 angeordneten Ventilsitz 75 korrespondiert.
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Der Ventilsitz 75 steht huber eine Leitung 76 mit der Membrankammer
59 in Verbindung. Der Ventilkörper 74 steht unter der Wirkung einer Druckfeder 77,
die sich gegenüber dem Gehäuse 30 abstützt und das Bestreben hat, den Ventilkörper
74 von seinem Ventilsitz 75 abzuheben. Auf der anderen Seite der leitung 76 schließt
sich an den Ventilsitz 75 eine Kammer 78 an, die über eine Bohrung 79 relativ kleinen
Querschnitts mit der Membrankammer 59 und über eine Zuluftbohrung 80 über einen
luftfilter 81 mit der Atmosphäre verbunden ist. Über eine Ansaugleitung 82 ist die
Kammer 78 mit dem Saugstutzen einer Membranpumpe 83 verbunden, die über eine Welle
84 von einem nicht dargestellten Motor 73 angetrieben ist. Der Motor seinerseits
ist von einem Stellglied mit Spannung beziehungsweise elektrischer Leistung beaufschlagbar,
ura ein bestimmtes Antriebsverhalten des Motors zu gewährleisten. Dic Nembranpumpe
weist eine Druckleitung 8E auf. von der die Stelleitung 23 abzweigt. Dic Druckleitung
8) teht über eine Drosselbohrung 86 mit der Membrankammer 59 in Verbindung.
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Der Ventilsitz 42 ist von einem Ventilkörper 65 beherrscht, der mit
einer Stellstange 66 verbunden ist. An die Stellstange 66 greift ein zweiarmiger
Hebel 67 an, der um einen Drehpunkt 68 im Gehäuse drehbar gelagert ist. Eine Rückstellfeder
69 bringt den Hebel in die dargestellte Ruhelage und sorgt dafür, daß der Ventilkörper
65 auf dem Ventilsitz 42 im Ruhezustand aufliegt. Am Gehäuse 30 ist ein Elektromagnet
70 befestigt, der mit einem Anker 71 zusammenwirkt, der Teil des zweiarmigen Hebels
67 ist.
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Der Elektromagnet 70 ist über eine leitung 72 mit elektrischer Energie
versorgbar.
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Die Leitung 23 führt zu einem Gehäuse 87, in dem der Stellmotor 17
und ein weiterer Stellmotor 88 mit einer Membran 109 und einem auf den Hebel 94
einwirkenden Stellstift 110 angeordnet sind. Der Stellmotor 17 weist innerhalb des
Gehäuses 87 zwei Druckkammern 89 und 90 auf, die von einer Membran 91 getrennt sind,
die mit einem Membranteller 92 verbunden ist, an dem eine Stellstange 99 angreift,
die mit einem zweiarmigen Hebel 94 verbunden ist, der um einen Drehpunkt 95 drehbar
ist. Eine Druckfeder 96 dient der RUckstellung, sie stützt sich gegenüber dem Gehäuse
30 ab Der Drehpunkt 95 kann sich am Gehäuse 30 befinden. Der Hebel 94 weist auf
seinem einen Ende eine Verzahnung 97 auf, ise mit einem Zahnrad 98 zusammenrflrki,
wobei das Zahnrad 98 auf der Welle 18 befestigt IstO Die Verzahnung 97 bildet somit
den
einen Hebelarm 99 des Hebel 94. Der andere Hebelarm 106 ist mit der Stellstange
93 verbunden und weist an seinem Ende den Nocken 19 auf.
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Der Elektromagnet 70 ist in einem Raum 107 angeordnet, der über eine
Bohrung 108 mit der Einlaßkammer 31 verbunden ist.
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Die eben beschriebene Steuervorrichtung hat folgende Funktion: Ausgehend
von dem in der Zeichnung dargestellten Ruhezustand ist der Ventilsitz 33 durch den
Ventilkörper 9 unter der Ausdehnungswirkung der Druckfeder 36 verschlossen, das
heißt, die Verbindung zwischen Gaseinlaß und Gasauslaß ist unterbrochen. Die Membranpumpe
83 ist in Ruhestellung, Druck- und Saugleitung 85 beziehungsweise 82 weisen zueinander
keinen Differenzdruck auf. Die Ventile 42, 65, 52, 51 und 74, 7 sind geschlossen,
der Elektromagnet 70 ist stromlos. Die Gaszufuhr zu dem Brenner 6 ist unterbrochen.
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Wird nun mehr Gas am Brenner verlangt, so wird der Elektromagnet 70
über die Leitung 72 mit elektrischer Spannung beaufschlagt. Das führt zu einem Abheben
des Ventilkörpers 65 vom Ventilsitz 42. Somit steht (nachdem sich unter dem Einfluß
der laufenden Umwälzpumpe im Wasserschalter 103 ein Druck aufgebaut hat und das
Ventil 100/38 geöffnet hat) Gasdruck aus der Gasleitung über die Bohrung 108 im
Operatorraum 107 an. Der Druck steht aber auch über das geöffnete Ventil 65/42 und
den Kanal 40 in der Kammer 39 an, so daß sich die Membran 11 gegen die Rückstellkraft
der Peder 36 anhebt und so den
Ventilkörper 9 vom Ventilsitz 7
5 anhebt. Diese Abhebestellung des Ventilkörpers 9 führt zur sogenannten Überzündstellung,
hier wird durch die Gasleitung 10 so viel Gas durchgesetzt, daß der angeschlossene
Brenner der Wärmequelle an allen Brennschlitzen Flammen bildet. Durch die Rücksta,uwirkung
der Brennschlitze steht der Gasdruck der Kammer 32 über die Leitung 10 in der Membrankammer
89 an, so daß die Membran 91 gegen die Rückstellkraft der Feder 96 abgehoben wird
und der Hebel 94 um den Drehpunkt 95 verschwenkt wird. Diese Schwenkbewegung führt
zu einem Auslenken des Absperrorgans 16, das von seiner Schließlage in die Überzündstellung
übergeht. Diese Überzündstellung ist ausschließlich abhängig vom Gasdruck hinter
der Armatur 22. In der Überzündstellung beaufschlagt der Nocken 19 den Mikroschalter
20, so daß erst nach Erreichen der Überzündstellung der Motor 77 der Membranpumpe
erregt werden kann.
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Die Betätigung des Mikroschalter 20 hat weiterhin zur Folge, daß das
Beheizungselement eines Bimetallsicherheitsschalters (beide nicht dargestellt),
welches bei Wärmeanforderung mit eingeschaltet wurde, wieder von Spannung getrennt
wird. Der Bimetallsicherheitsschalter-beherrscht die Stromzufuhr zum Magnet 70 und
zum Membranpumpenmotor 73, so daß die zugehörige Öffnungsstellung des Absperrorgans
16 ebenfalls überwacht ist.
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Wird nun Wärmeleistung von einem Raum- oder Vorlaufthermostaten oder
einem Gebrauchswasserbereiter angefordert, resultiert eine elektrische Beaufschlagung
des Motors 73, so daß die Membranpumpe 89 zu fördern beginnt. Somit steht erhöhter
luftdruck
aber die Druckleitung 85 sowohl an der Druckleitung 23 als auch in der Membrankammer
59 an. Die Höhe dieses Druckes ist abhängig von der angeforderten Wärmeleistung.
Somit findet eine Auslenkung der Membran-109 im Stellmotor 88 statt, so daß der
Stellstift 110 den Hebel 94 im gleichen Sinne wie den Stellstift 93 weiterverstellt.
Die Folge davon ist eine Weiterführung der Stellung des Absperrorgans 16, der Öffnungswinkel
des Absperrorgans in der Abgasleitung ist um so größer, je größer der von der Membranpumpe
gelieferte Druck ist. Der Druck, der Von der Membranpumpe geliefert wird, wird begrenzt
durch die Membran 60, die gegen die Rückstellkraft der Feder 62 beweglich ist. Überschreitet
der Druck in der Membrankammer 59 den Grenzwert, so zieht die Membran 60 den Ventilkörper
74 von seinem Sitz 75 ab und schließt Saug- und Druckseite der Membranpllepe kurz.
Dieses Ventil 74, 75 wirkt in Verbindung mIt der Membran 60 als Maximaldruckbegrenzer.
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Der Druck in der Membrankammer 59 steht aber auch in der Membrankammer
57 an. Ein dort steigender luftdruck führt zu einem Drosseln des Ventils 52, 51-.
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Da der Ventilkörper 65 bereits auf dem Ventilsitz 43 aufliegt, bewirkt
ein Schließen des Ventilkörpers 52 eine Belastung der MembrarZanmer 39, so daß sich
der Ventilkörper 9 in Richtung n-ffnen 2es Ventilsitzes 33 bewegt. Das Ventil 52,
51 wirk also in Verbindung mit der Membran 54 als kontinuierlicr Soliwertgeber für
den Gasdurchsatz.
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Das Nachführen der Abgasklappe in einem Gasdurchsatzbetrieb zwischen
der Maximalleistung und der Überzündleistung wird durch den Temperaturfühler 26
überwacht: Weist das Absperrorgan eine Öffnungstellung auf, die kleiner ist als
die dem entsprechenden Gasdurchsatz zugehörige zur.Erzielung einer optimalen Verbrennung
beziehungsweise eines optimalen luftüberschusses, so sinkt im Innenraum 3 der Wärmequelle
1 der Abgasspiegel und austretendes Abgas bringt den Temperaturfühler 26 zum Ansprechen.
Ein Ansprechen des Temperaturfühlers 26 führt zu einer Störabschaltung über die
Steuervorrichtung 22.
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Soll das Gerät stillgesetzt werden, so wird der Motor 73 der Membranpumpe
83 spannungslos geschaltet. Das führt zu einem Druckloswerden der Druckleitung 85
und zu einem Rückdrehen des Absperrorgans 16, bis die Überzündstellung erreicht
ist.
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Weiterhin führt dies dazu, daß durch das Ventil 9, 33 nur der Überzündgasdurchsatz
zum Brenner gelangt. Soll das Gerät nunmehr ganz stillgesetzt werden, so wird die
Betriebsspannung von der leitung 72 abgenommen. Als Folge davon wird der Elektromagnet
70 stromlos, so daß der Ventilkörper 65 vom Ventilsitz 43 abhebt und den Ventilsitz
42 verschließt. Als Folge davon wird die Membrankammer 39 drucklos, so daß die Feder
36 den Ventilkörper voll in Schließstellung auf den Sitz 33 zieht. Damit ist die
Gaszufuhr unterbrochen, das Druckloswerden der Gasleitung 10 hinter der Armatur
22 führt zu einem Rückstellen der Membran 91 aufgrund der Rückstellkraft der Feder
96. Somit wird der Nocken 19 den Mikroschalter 20 verlassen,
und
die Abgasklappe 16 geht in die Schließstellung.
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Das Gerät ist erloschen.