DE3116670A1 - Verfahren und einrichtung zur verbrennungsregelung - Google Patents

Description

HITACHI, LTD., Tokyo,. Japan

Verfahren und Einrichtung zur Verbrennungsregelung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbrennungsregelung in einem Druckluftbzw. Unterwindbrenner, bei dem die Verbrennungsluft unter Druck zugeführt und abgeführt wird, wobei die Verbrennungsregelung nach Maßgabe von Laständerungen durchgeführt wird, während das Verbrennungsluft-/Brennstoff-Verhältnis im wesentlichen gleichbleibend gehalten wird.

In Haushalts-Heizanlagen mit Druckluft- bzw. Unterwindbrenner nach dem Stand der Technik wird zur Regelung der Verbrennung in Anpassung an Laständerungen ein intermittierender Verbrennungsvorgang angewandt. Dieses Verfahren ist jedoch mit dem Problem verbunden, daß die Genauigkeit der Verbrennungsregelung bzw. -einstellung nur ±5 C in bezug auf die eingestellte Temperatur beträgt, wodurch das Wohlbefinden der Hausbewohner beeinträchtigt wird. Ferner bedeutet ein Anstieg von mindestens 5 C, daß mehr Brennstoff als notwendig verbrannt wird, was im Hinblick auf die Einsparung von Energie unerwünscht ist. Insbesondere dient ein Warmwasserspeicherkessel dazu, eine große Warmwassermenge zu speichern und das Wasser auf einer hohen. Temperatur zu halten, so daß der Verbrauch einer großen Warmwassermenge jederzeit möglich ist; dazu wird die Temperatur des Warmwassers im Warmwasserbehälter ständig

erfaßt, und die Verbrennung wird ausgelöst, sobald die Temperatur des Warmwassers sinkt. Damit sind im Hinblick auf die Einsparung von Energie Verbesserungen bei solchen Kesseln noch dringender als bei Haushalts-Heizanlagen erforderlich.

Für eine Druckluft- bzw. Unterwind-Verbrennungsanlage ist bisher ein bekanntes Verbrennungsregelverfahren angewandt worden, bei dem durch den Druck der Verbrennungsluft ein Regelventil betätigt wird, und Brennstoff proportional zum Öffnungsgrad des Regelventils zur Verbrennung zugeführt. Bei dieser Verbrennungsanlage wird nur das Luftvolumen nach Maßgabe von Änderungen der Last geregelt. Dadurch ergibt sich das Problem, daß dieses Verbrennungssystem insofern nachteilig ist, als der Verbrennungszustand stark vom Zustand der Außenluft beeinflußt wird. Z. B. erhöht ein Anstieg des Atmosphärendrucks den statischen Druck am Aualsß des Gebläses, so daß die Soll-Luftmenge nicht erhalten werden kann. Infolgedessen werden Ruß und Kohlenmonoxid erzeugt, wenn der eingesetzte Brennstoff ein von Erdgas verschiedenes Gas, z. B. Flüssiggas bzw. LPG und Butangas mit einem hohen Kohlenstoff anteil, oder ein Flüssigbrennstoff ist. Unter diesen Umständen würde man die Verbrennungsregeleinrichtung wohl nicht einsetzen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Verbrennungsregelung, wobei die vorgenannten Nachteile vermieden werden; das Verfahren und die Einrichtung sind zum Einsatz in einer Druckluft- bzw. Unterwind-Verbrennungsanlage geeignet, wobei weder Ruß noch Kohlenmonoxid erzeugt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Luft eine Trägheitskraft bzw. ein Beharrungsvermögen hat. Gemäß der Erfindung wird zuerst das Luftvolumen eingestellt, und dann wird Brennstoff nach Maßgabe des eingestellten Luftvolumens zugeführt. Infolge dieses Merkmals ändert sich das Luftvolumen gleichmäßig entsprechend Laständerungen, so daß die Erzeugung von Ruß oder Kohlenmonoxid aufgrund eines vorübergehendens Luftmangels vermieden wird.

Die Verbrennungsregeleinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch Fühler zum Erfassen einer Laständerung, durch ein Glied zum Steuern eines Antriebs für das Gebläse auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Fühler, durch einen auf der Gebläseaustrittsseite angeordneten Luftdurchsatzfühler, der das Luftvolumen in Übereinstimmung mit der Laständerung erfaßt, durch Einheiten zur Brennstoffzuführung zum Brenner, und durch eine Regeleinheit zum Regeln des Brennstoffs auf der Grundlage eines vom Luftdurchsatzfühler aufgrund der Luftdurchsatzerfassung erzeugten Signals, so daß von den BrennstoffZuführungs-Einheiten dem Brenner das Brennstoffvolumen zuführbar ist, das dem von dem Luftdurchsatzfühler erfaßten Luftvolumen entspricht.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Systemdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in einem Verbrennungssystem mit Flüssigbrennstoff eingebaut ist;

Fig. 2 ein Systemdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels, das in einem Verbrennungssystem mit gasförmigem Brennstoff eingebaut ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht des bei der Verbrennungsregeleinrichtung für gasförmigen Brennstoff entsprechend Fig. 2 verwendeten Brennstoffregelventils;

Fig. 4 eine Grafik der Kennlinien des Brennstoffregelventils für gasförmigen Brennstoff nach Fig. 3; und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines weiteren Brennstoff regelventils für gasförmigen Brennstoff ähnlich Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Warmwasserspeicher, bei dem ein Flüssigbrennstoff sowie die Einrichtung nach der Erfindung verwendet werden. Diese Verbrennungsanlage umfaßt einen Druckluft- bzw. Unterwindbrenner 1 mit einem Hauptwärmetauscher 2 zur Übertragung der Wärme einer Hochtemperatur-Wärmequelle zu einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle und eine Umwälzpumpe 3, die ein Wärmemedium zur Wärmeübertragung an einen Verbraucher durch einen Kreislauf C umwälzt. In dem Kreislauf C sind Temperaturfühler 4A und 4-B angeordnet, die die Temperatur des Wärmemediums erfassen, ferner ein indirekter Wärmetauscher 4· zur Wärmeübertragung von dem Wärmemedium auf Leitungswasser 5, ein Heizkörper 6 zur Abgabe von Wärme von dem Wärmemedium an einen Raum, und

Dreiwegventile 7 und 8 zum Einstellen eines Heißwasserverbrauchers und eines Heizverbrauchers. Ein Gebläse 10 führt dem Brenner 1 Verbrennungsluft zu und umfaßt einen Luftkanal 11 mit einer Primärluftleitung HA, die das Gebläse 10 mit einem Vergaser IA des Brenners 1 verbindet, und eine Sekundärluftleitung HB, die das Gebläse 10 mit der Umgebung des Brenners 1 verbindet. Der Vergaser IA ist ein Zentrifugalzerstäuber-Vergaser mit einer Drehscheibe 20 zum Zerstäuben des Flüssigbrennstoffs und Verteilen der zerstäubten Flüssigbrennstoffteilchen. Das Gebläse 10 wird von einem Motor 12 getrieben, der von einem Stellglied 13 auf der Grundlage von Signalen der Temperaturfühler 4-A und ή-Β, die in dem Kreislauf C angeordnet sind, gesteuert wird. Der Luftkanal 11 des Gebläses 10 weist einen Luftdurchsatzfühler 14·, ζ. Β. ein Hitzdrahtanemometer, auf. Der Flüssigbrennstoff ist in einem Brennstoffbehälter

15 enthalten, der einen statischen Flüssigkeitspegelregler

16 aufweist, und der Flüssigbrennstoff wird dem Brenner 1 von einer Brennstoffpumpe 17 zugeführt, die von einem Frequenzstellglied 18 gesteuert wird, das seinerseits von einem Signal des Luftdurchsa'tzfühlers 14- gesteuert wird. Mit 9 ist Warmwasser bezeichnet, das aus dem indirekten Wärmetauscher ή- fließt.

Dem Wärmemedium wird Wärme von Hochtemperaturgas zugeführt, so daß seine Temperatur stark ansteigt. Das Hochtemperatur-Wärmemedium gibt Wärme entweder an die Warmwasserversorgung oder an die Raumheizung ab, wodurch seine Temperatur sinkt. Das Niedrigtemperatur-Wärmemedium wird zum Hauptwärmetauscher 2 rückgeführt. Die Temperatur des zirkulierenden Wärmemediums kann sich in Abhängigkeit vom Warmwasserverbrauch oder vom Heizungsverbrauch ändern. D. h., je größer der Verbrauch, desto niedriger ist die von dem Temperaturfühler 4A oder A-B erfaßte Temperatur.

Die Arbeitsweise wird unter Bezugnahme auf die Temperatur der Warmwasserversorgung erläutert. Bei konstanter Eingangsgröße (Brennstoffvolumen) zum Brenner 1 sinkt die Temperatur des umlaufenden Wärmemediums mit steigendem Volumen an verbrauchtem Warmwasser. Wenn die Standardtemperatur des Wärmemediums vorher eingestellt und versucht wird, die Temperatur des Wärmemediums auf dem Standardwert zu halten, obwohl sich Laständerungen ergeben, so müßte die dem Brenner 1 zugeführte Eingangsgröße erhöht werden. Die Temperatur des Wärmemediums wird also von dem Temperaturfühler 4A und 4B erfaßt, und die von den Temperaturfühlern erfaßte Spannung wird mit einer Spannung verglichen, die die bestimmte Standardtemperatur des Wärmemediums am Drehzahlstellglied 13 des Gebläsemotors bezeichnet, so daß die Drehzahl des Gebläsemotors 12 für den Brenner bestimmt wird. Auf diese Weise wird das für die Verbrennung erforderliche Luftvolumen bestimmt, bevor das Brennstoffvolumen bestimmt wird.

Der Durchsatz der zum Brenner 1 strömenden Luft wird von dem Luftdurchsatzfühler 14 erfaßt, der dem Frequenzstellglied 18 ein Signal zuführt. Der Brennstoff wird dem Brenner 1 von der Brennstoffpumpe 17 in einer Menge zugeführt, die auf der durch die nachstehende Gleichung gegebenen Beziehung beruht. Der Luftdurchsatzfühler 14 muß nicht unbedingt ein Hitzdrahtanemometer sein, sondern kann auch ein elektrischer Druckmesser sein.

zur Verbrennung von Sollbrennstoffmenge (A) nötige Luftmenge Sollbrennstoffmenge (F)

Konstante (K) (1),

Bei dieser Gleichung haben die Flammen allgemein die Tendenz, sich gelb zu verfärben, wenn der Wert von A im Vergleich zum Wert von F verringert wird, so daß Ruß erzeugt wird.

Umgekehrt kann ein Abheben der Flammen eintreten, wenn der Wert von A gegenüber demjenigen von F erhöht wird. Wenn der Hauptwärmetauscher 2 ein Aluminium-Wärmetauscher mit Innenrippen oder ein Plattenwärmetauscher ist, ist es erforderlich, ein Verschließen des Wärmetauschers mit von den Flammen erzeugtem Ruß zu verhindern. Zu diesem Zweck wird zuerst der Wert A eingestellt, und dann wird der Wert F gemäß der Erfindung bestimmt, so daß die durch eine Verzögerung von F in bezug auf A ausgeübten Einflüsse ein Abheben der Flammen bewirken, anstatt diese gelb werden zu lassen, wodurch die Gefahr der Rußerzeugung vermieden wird.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel können die Stellen, an denen die Temperaturfühler 4-A und 4-B sowie der Luftdurchsatzfühler IA- angeordnet sind, entsprechend dem zu steuernden Parameter gewählt werden. D. h., wenn die Temperatur des zugeführten Warmwassers zu regeln ist, so kann die Temperatur des zugeführten Warmwassers am Warmwasserauslaß erfaßt werden. Wenn in dem Verbrennungssystem der Brenner den Brennstoff vollständig mit Primärluft verbrennt, oder wenn das Primärluftvolumen die Leistung des Brenners bestimmt, kann der Luftdurchsatzfühler 1ή· in der Primärluftleitung HA angeordnet sein. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird zum Zerstäuben des Flüssigbrennstoffs ein Zentrifugalzerstäuber-Vergaser benutzt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Form der Flüssigbrennstoff-Zerstäubungsvorrichtung beschränkt; so kann z. B. ein mit Druck arbeitendes Düsenzerstäubungssystem oder ein mit Luft arbeitendes Venturi-Zerstäubungssystem eingesetzt werden. Bei der Realisierung der Erfindung hat sich gezeigt, daß das Zentrifugalzerstäubungssystem am vorteilhaftesten ist, und zwar deshalb, weil die Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs gleichmäßig und stabil durchführbar ist, da die Fliehkraft auch dann gleich

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bleibt, wenn sich die Last und das Brennstoffvolumen ändern, da die Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs in dem Zentrifugalzerstäubungssystem unter Nutzung der Zentrifugalkraft der Drehscheibe, deren Drehzahl gleich bleibt, verwirklicht wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird in einem Verbrennungssystem mit gasförmigem Brennstoff verwendet. Der Fig. 1 entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei ist der Vorgang, der zur Zufuhr eines Signals auf der Grundlage des Signals vom Luftdurchsatzfühler 14- zu einem Brennstoff regelventil 23 führt, ähnlich dem entsprechenden Vorgang nach Fig. 1, so daß er nicht erläutert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der gasförmige Brennstoff mit einem vorgegebenen Druck von außen zugeführt und in einen Druckregler 22 eingeführt, nachdem er ein Elektromagnetventil 21 durchströmt hat. Der Druckregler 22 hat die Funktion, den Druck auf der Sekundärseite im wesentlichen konstant zu halten, ohne daß eine Beeinflussung durch den primärseitigen Druck erfolgt. Die relativen Positionen des Elektromagnetventils 21 und des Druckreglers 22 sind umkehrbar. Der aus dem Druckregler 22 mit gleichbleibendem Druck austretende Brennstoff wird dem Brennstoffregelventil 23 zugeführt, in dem die Brennstoffmenge entsprechend der Gleichung (1) eingestellt wird, so daß der Brennstoff dem Brenner 1 in einer dem Luftvolumen entsprechenden Menge zugeführt wird.

Das Brennstoffregelventil 23 kann von bekannter Bauart sein. Das Brennstoffregelventil 30 von Fig. 3 ist z. B. ein elektromagnetisches Regelventil, das den Kolbenhub kontinuierlich aufgrund der Spannung ändert. Das Regelvnetil 30 für gasförmigen Brennstoff regelt den Brennstoff derart, daß ein Kolben 33 durch den Ausgleich zwischen der in einem Elektromagneten 31 durch die diesem aufgedrückte Spannung erzeugten elektromagnetischen Kraft und der Vorspannkraft einer Feder 32 verschoben wird und dadurch eine

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= 12 =

mit dem Kolben 33 verbundene Nadel 34 verschiebt, so daß dadurch der Querschnitt einer Öffnung 35 im Ventilsitz zwecks Einstellung der Brennstoffmenge geändert wird. Das Ventil 30 umfaßt einen Gaseinlaßkanal 36 und einen Gasauslaßkanal 37.

Aufgrund der im Magneten erzeugten Remanenz erzeugt das Regelventil 30 für gasförmigen Brennstoff eine Hysteresis. Fig. 4 zeigt die Kennlinien des Ventils. Dabei bezeichnet die Abszisse die Spannung und die Ordinate den Kolbenhub. Es ist ersichtlich, daß eine Laständerung eine Änderung des Kolbenhubs verursacht und daß der von der Remanenz ausgeübte Einfluß an einem Punkt auftritt, an dem sich die Hubrichtung ändert. An diesem Punkt tritt in der Verschiebung des Kolbens keine Änderung ein, obwohl die Spannung vermindert ist. Wenn ein in dieser Weise arbeitendes elektromagnetisches Regelventil verwendet wird, ändert sich das Brennstoffvolumen in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Kolbens, so daß kein gleichbleibendes Verhältnis in Brennstoff-Luft-Gemischen erzielbar ist. Der durch Hysteresis bewirkte Fehler kann sogar in der Größenordnung von 200 % liegen, so daß die Verwendbarkeit als Regelventil begrenzt ist. Bei der Grafik nach Fig. 4 bezeichnet die Kurve I den Fall einer Last von 37 g und die Kurve II den Fall einer Last von 100 g.

Das Ventil A-O nach Fig. 5 wurde entwickelt, um die vorgenannten Nachteile der Brennstoffregelventile bekannter Bauart zu beseitigen. Dieses Ventil 40 zeichnet sich durch einen Ein-Aus-Regelvorgang für die Regelung des Brennstoffs aus. Insbesondere wird dabei die Zeitdauer, während der der Ventilsitz geöffnet ist, durch Einstellen der Zeitdauer, während der das Ventil eingeschaltet ist, oder der Anzahl Perioden, während der das Ventil eingeschaltet ist, geregelt. Der mit A-I und 42 bezeichnete Ventilsitz arbeitet derart, daß die bewegliche Sitzhälfte 41, die

durch die elektromagnetische Kraft und die Kraft einer Feder vertikal bewegbar ist, mit der ortsfesten Sitzhälfte 42 in und außer Kontakt bringbar ist, so daß bei Kontakt der beiden Sitzhälften miteinander der Gasstrom unterbrochen ist und dann, wenn beide Sitzhälften außer Kontakt miteinander stehen, der Gasstrom zwischen ihnen durchströmen kann. Somit ist es durch Steuern der Zeitdauer, während der die beiden Sitzhälften 41 und 42 miteinander in Kontakt stehen, und der Zeitdauer, während der sie außer Kontakt stehen, möglich, den Ventilsitz vollständig zu öffnen und zu schließen. Das Ventil 40 ist frei von Hysteresis, die bei dem Ventil 30 nach Fig. 3 vorhanden ist. In Fig. 5 sind der Fig. 3 entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß die Verbrennungsregeleinrichtung nach der Erfindung, bei der der Brennstoff und die Luft so regelbar sind, daß jederzeit ein im wesentlichen konstantes Brennstoff-Luft-Verhältnis erhalten wird, so arbeitet, daß zuerst das Luftvolumen entsprechend einer Laständerung eingestellt, das erforderliche Luftvolumen erfaßt Und dann das Volumen des zu verbrennenden Brennstoffs auf der Grundlage der Luftvolumenmessung eingeregelt wird. Dadurch wird durch die Erfindung ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Durchführung einer Verbrennungsregelung geschaffen, wobei die Trägheitskraft der Luft genutzt wird, indem das Luftvolumen gleichmäßig entsprechend einer Laständerung geändert wird, so daß es möglich ist, die Erzeugung von Ruß und Kohlenmonoxid, die aufgrund des Auftretens eines vorübergehenden Luftmangels bewirkt werden könnte, trotz einer Steigerung oder Verminderung der Brennstoffmenge zu vermeiden .

Claims (1)

1. Ansprüche

   Verfahren zur Verbrennungsregelung, wobei diese nach Maßgabe von Laständerungen durchgeführt wird, während das Verhältnis des Verbrennungsluftvolumens zum Brennstoffvolumen im wesentlichen gleichgehalten wird,
   gekennzeichnet durch

   - Einstellen des Luftvolumens nach Maßgabe einer Laständerung ;

   - Erfassen des Luftvolumens; und

   - Regeln des Brennstoffvolumens nach Maßgabe des erfaßten Luftvolumens.

   2. Einrichtung zur Verbrennungsregelung, wobei diese nach Maßgabe von Laständerungen durchführbar ist, während das Verhältnis des Verbrennungsluftvolumens zum Brennstoffvolumen im wesentlichen gleichgehalten wird,

   - mit einem Brenner und

   - mit einem Gebläse zur Luftzufuhr zum Brenner, gekennzeichnet durch

   - Fühler (A-A, 4-B) zum Erfassen einer Laständerung;

   - ein Glied (13) zum Steuern eines Antriebs (12) für das Gebläse (10) auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Fühler (4A; A-B);

   - einen auf der Austrittsseite des Gebläses (10) angeordneten Luftdurchsatzfühler (IA-), der das Luftvolumen in Übereinstimmung mit der Laständerung erfaßt;

   81-(A 5497-01)-Schö

   - Einheiten (15, 17) zur Brennstoffzuführung zum Brenner (1); und

   - eine Regeleinheit (23) zum Regeln des Brennstoffs auf der Grundlage eines vom Luftdurchsatzfühler (IA-) aufgrund der Luftdurchsatzerfassung erzeugten Signals,

   - so daß von den BrennstoffZuführungs-Einheiten (15, 17) dem Brenner (1) das Brennstoffvolumen zuführbar ist, das dem von dem Luftdurchsatzfühler (IA-) erfaßten Luftvolumen entspricht.

   3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Brennstoff ein Flüssigbrennstoff ist, und

   - daß der Brenner (1) einen Fliehkraftzerstäubungsvergaser (IA) mit einer umlaufenden Scheibe (20) zum Zerstäuben und Verteilen des Flüssigbrennstoffs in Form feinster Teilchen aufweist.

   A-. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff ist,

   - und daß die Brennstoffzuführungseinheit ein elektromagnetisches Ventil (A-O) mit Ein-Aus-Regelung ist.

   5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-A-, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Luftdurchsatzfühler ein Hitzdrahtanemometer (IA-) ist.

   6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   - daß das Verbrennungssystem ein Druckluft- bzw. Unterwindsystem ist.

   7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Brenner (1) des Druckluft- bzw. Unterwind-Verbrennungssystems ein Brenner für einen Warmwasserspeicherkessel isl.