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"Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzielung eines
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gleichbleibenden Mischungsverhältnisses von Brennstoff und Verbrennungsluft
an Feuerungs einrichtungen" Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung
zur Erzielung eines gleichbleibenden Mischungsverhältnisses von Brennstoff, z.B.
Heizgas, Heizöl, Kohlestaub usw., und Verbrennungsluft an Feuerungseinrichtungen,
unabhängig von Durchsatzschwankungen durch Regelung des Brennstoff-und des Luftvordruckes.
Bekanntlich ändert sich der Mengendurchsatz eines Gases durch ein gegebenes System
mit gleichbleibendem Durchflußwiderstand und bei gleichbleibender Druck differenz
mit der Temperatur, und zwar proportional zur Wurzel aus der absoluten Temperatur.
Bei gleichbleibendem geregeltem Gasdruck würde
mit zunehmender Erwärmung der Verbrennungsluft das Luft-Gas-Mischungsverhältnis
sich zur Seite des Luftmangels hin verschieben.
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Es sind Verfahren und Systeme bekannt, die bei Einsatz von täufterhitzern
vor Feuerungseinrichtungen geeignet sind, das Mischungsverhältnis von Heizgas und
Verbrennungsluft konstant zu halten, und zwar durch die EP-Nr. 002LC'-C44 AI. Hierdurch
ist es bekannt, daß der veränderliche Luftstrom vor Eintritt in
einen
Rekuperator über eine Staublende gemessen wird und der Differenzdruck nach pneumatischer
Druckverstärkung so auf den Gasdruckregler einwirkt, daß dieser den Gasdruck reduziert
bei reduziertem Luftmengendurchsatz, oder der Luftdruck wird über einen eingebauten
Druckregler entsprechend der Temperaturerhöhung angehoben. Regler, die auf den Gasdruck
einwirken, haben den Nachteil verminderten Gasdurchsatzes und damit verminderter
Brennerleistung bei ansteigender Temperatur der Verbrennungsluft. Regelungen des
Luftvordrucks bekannter Art haben den Nachteil unförmiger Baugröße, soweit es sich
um pneumatische Regler handelt, oder der Rückwirkung auf die Ventilator-Charakteristik,
soweit es sich zm Drosselorgane in der Luftzuleitung vor Rekuperatoren handelt.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art
zu schaffen, welche unabhängig von Durchsatzschwankungen und damit veränderlichem
Vordruck sowie ggf. unabhängig von der Temperatur der Luftvorwärmung ein gleichbleibendes
Mischungsverhältnis von Heizgas und Verbrennungsluft gewährleisten.
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Verfahrensgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Druck der
Verbrennungsluft
zeitlich konstant gehalten wird durch den gleichgehaltenen Förderstrom des die Verbrennungsluft
liefernden Ventilators. Zu diesem Zwecke wird dem Ventilator ein veränderlicher
Teilstrom entnommen. Dieser Teilstrom wird so bemessen, daß er in Ergänzung zum
Verbraucherstrom den Ventilator mit konstantem Förderstrom beaufschlagt. Durch diese
Ausgestaltung wird der Luftdruck - ebenso wie der Gasdruck -zentral geregelt, so
daß ganze Systeme, untergliedert in Brennerzonen oder Ofeneinheiten, aus demselben
Netz mit geregeltem Druck versorgt werden können und Schwankungen des Durchsatzes,
die unterschiedliche Druckabfälle in den Leitungen und ggf. am Luftvorwärmer verursachen,
oder aber zu anderen Vordrücken führen - als Folge der Verschiebung des Arbeitspunktes
auf der Ventilator-Kennlinie - zu keinen Veränderungen des Luftdrucks im Verteilernetz
führen.
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Vorteilhaft wird der Förderstrom des Ventilators so bemessen, daß
dessen Arbeitspunkt auf dem abfallenden Abschnitt der Ventilator-Kennlinie liegt.
Bei gleicher Temperatur liefert der Ventilator den gleichen Förderstrom, der so
bemessen ist, daß er weit oberhalb des instabilen Arbeitsbereichs, d.h. oberhalb
der Pumpgrenze, liegt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Förderstrom konstant
gehalten durch Entnahme eines veränderlich geregelten
Abzweigstromes,
der den zeitlich schwankenden Verbraucherstrom zu einem konstanten Förderstrom ergänzt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei dem Ventilator
nachgeschalteter Luftvorwärmung der Luftdruck in Abhängigkeit von einer Änderung
der Temperatur der Verbrennungsluft entsprechend geändert, derart, daß das Leitungssystem
und die Feuerungseinrichtung bzw. -einrichtungen von einem von der Temperatur unabhängigen
Luftmengenstrom durchflossen werden. Die Durchsatzleistung der einzelnen Brenner
ist somit von der Temperatur der Verbrennungsluft unabhängig.
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Vorteilhaft ist der Vordruck der Verbrennungsluft zur Veränderung
des Mischungsverhältnisses von Heizgas und Verbrennungsluft bei gleichbleibendem
Gasdruck auf einen veränderten Wert eingestellt und wird auf diesen konstant geregelt.
Ein einmal eingestelltes und konstant geregeltes Mischungsverhältnis kann durch
äußeren Eingriff verändert werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich beispielsweise
eine Schaltungsanordnung, bei der von der vom Ventilator zu der oder den Feuerungseinrichtungen
führenden Leitung eine Leitung abgezweigt ist, die auf die Saugseite des Ventilators
zurückgeführt ist und in der ein Drossel-
Regelglied angeordnet
ist, welches mit einem Stellmotor verbunden ist, der an einen Regler angeschlossen
ist, welcher an einen Seollwertversteller angeschaltet ist, der mit einem Druckfühler
verbunden ist, welcher den Druck in der Leitung erfaßt. Bei dieser Ausführung wird
ein Teilstrom über eine By-pass-Leitung auf die Saugseite des Ventilators zurückgeführt,
wobei dieser Teilstrom so bemessen ist, daß er in Ergänzung zum Verbraucherstrom
den Ventilator mit konstantem Förderstrom beaufschlagt. Für den Fall, daß ein Vorwärmer
vorgesehen ist, wird an den Sollwertversteller zusätzlich ein Temperaturfühler angeschaltet,
welcher die Temperatur in der Leitung hinter dem Luftvorwärmer erfaßt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform mit dem Ventilator nachgeordnetem
Luftvorwärmer it von der vom Ventilator zum Luftvorwärmer führenden Leitung zu der
oder den Feuerungseinrichtungen eine Leitung abgezweigt, die in den Luftvorwärmer
geführt ist und in der ein Drossel-Regelglied angeordnet ist, welches mit einem
Stellmotor verbunden ist, der an einen Regler angeschlossen ist, welcher an einen
Sollwertversteller angeschaltet ist, der mit einem Druckfühler sowie einem Temperaturfühler
verbunden ist, die den Druck sowie die Temperatur in der Leitung hinter dem Luftvorwärmer
erfassen Der Zweigstrom wird abweichend von der vorherigen Ausführungsform nicht
auf die Saugseite des
Ventilators zurückgeführt, sondern vielmehr
zum Abbau von Temperaturspitzen zusammen mit dem Abgas in den Luftvorwärmer eingeleitet.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor des Ventilators
an einen Frequenzumrichter angeschlossen, welcher mit einem Regler verbunden ist,
der an einen Sollwertversteller angeschaltet ist, der mit einem Druckfühler sowie
einem Temperaturfühler verbunden ist, die den Druck sowie die Temperatur in der
Leitung hinter dem Luftvorwärmer erfassen.
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Durch die zusätzliche Anbringung eines Temperaturfühlers bei einer
Ausführung mit Luftvorwärmer wird nicht nur der Druck der Luft, sondern auch ihre
Temperatur hinter dem BuStvorwärmer gemessen, wobei der Druck-Sollwert des Druckreg>rs
über den Sollwertversteller in Form eines Analogrechners in Abhängigkeit von der
Lufttemperatur verändert wird. An den Sollwertversteller ist eine Umschalteinrichtung
zur wahlweisen Verstellung des Heizgas-Verbrennungsluft-flischungsverhältnisses
angeschlossen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher
erläutert, und zwar zeigt: Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit einer Leistungsregelung
der Brenner in EIN-AUS- bzw. KLEIN-GROß-Betrieb,
Figur 2 die gleiche
Schaltungsanordnung mit einer einzeln oder gruppenweise durchgeführten Regelung
der Brenner, Figur 3 schematisch die Kennlinie eines Radialgebläses und Figur 4
eine Schaltungsanordnung wie Figur 2, jedoch mit einer Drehzahländerung des Ventilatorantriebs.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist mit 1 der Ventilator
für die Verbrennungsluft bezeichnet, die über das Luftfilter 14 angesaugt wird.
Von dem Ventilator 1 führt die Leitung 4 Luftvorwärmer zum 1 1 2. Nach dem Austritt
aus dem Luftvorwärmer 2 sind an die Leitung 4 mehrere Brenner 3 parallel zueinander
angeschlossen. Die Leitung 4 stellt eine zentrale Luftleitung zu den einzelnen Brennern
3 mir, beispielsweise ausgeführt als Ringleitung.
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Von der Leitung 4 ist eine Leitung 5 abgezweigt, welche auf die Saugseite
des Ventilators 1 zurückgeführt ist. In der Abzweigleitung 5 befindet sich ein feststellbares
Drosseldorgan 6 sowie ein Drossel-Regelorgan 7, welch letzteres an den Stellmotor
8 angeschlossen ist, der mit einem Regler 12 in Form eines Dreipunkt-Schritt-Reglers
in Verbindung steht. Der Regler 12 ist an den Sollwertversteller 11 angeschlossen,
der mit einem Druckfühler 10 sowie einem Temperaturfühler 9 in Verbindung steht.
Außerdem ist an den Sollwertversteller 11 eine Umschalt-Einrichtung 13 zur wahlweisen
Verstellung des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses
angeschlossen.
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In der Gaszentralleitung 19 befindet sich ein Gasfilter 15, ein Gashauptabsperrventil
16, ein Gasdruckregler 17 sowie ein Gashauptmagnetventil 18. Von der Gasseite her
ist in jedem Abzweig ein Gasabsperrhahn 20 vorgesehen. Das Gasmagnetventil 21 ist
für Vollast und das Gasmagnetventil 22 für Kleinlast ausgelegt. In jedem Abzweig
ist sowohl eine Drosselblende 23 für eine Gasmengenbegrenzung als auch eine Drosselblende
24 für eine Luftmengenbegrenzung vorhanden.
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Auf der Luftseite eines jeden Abzweigs ist eine Luft-Magnetdrosselklappe
25 für Vollast und ein Luft-Handventil 26 für Kleinlast und Spülung vorgesehen.
Außerdem ist in den einzelnen Abzweigen eine Handdrosselklappe 27 für die Luftabsperrung
angeordnet.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 wird ein Teil des Förderstroms
des Ventilators 1 auf dessen Saugseite zurückgeführt und beaufschlagt den Ventilator
in Ergänzung zum Verbraucherstrom mit einem konstanten Förderstrom. ober die Fühler
9, 10 werden sowohl die Temperatur als auch der Druck der Luft in der Ringleitung
4 gemessen und auf den Sollwertversteller 11 in Form eines Analog-Rechners gegeben,
welcher eine Veränderung des Druck-Sollwertes des Druckreglers in Abhängigkeit von
der Lufttemperatur verändert. Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1
wirkt
der Regler 12, welcher als Dreipunkt-Schritt-Regler ausgebildet ist, unmittelbar
auf den Stellmotor 8 ein, der seinerseits die Drosselklappe 7 in der Abzweigleitung
5 verstellt.
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Die dargestellte Brenneranordnung zeigt den Einsatz des Systems bei
einer Leistungsregelung der Brenner in EIN-AUS-bzw. KLEIW-GROß-Betrieb, wie er bei
Impulssteuerungen - evtl.
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in Verbindung mit Rundumsteuerungen - üblich ist.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 2 weisen gleiche Bauteile gleiche
Bezugszeichen auf.
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In Abweichung von der Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist die Abzweigleitung
5 nicht auf die Saugseite des Ventilators 1 zurückgeführt, sondern vielmehr zum
Abbau von Temperaturspitzen Luftvorw zusammen mit dem Abgas in den Luftvorlwärmei
Die Brennerleistung ist bei dieser Schaltungsanordnung einzeln oder gruppenweise
verhältnisgeregelt mit stetigem Übergang von Eleinstauf Größtleistung. Zu diesem
Zweck ist in jedem Abzweig eine fernverstellbare Drosselklappe 28 für Luft sowie
eine ebenfalls fernverstellbare Drosselklappe 29 für Gas angeordnet, die von dem
Stellmotor 30 beaufschlagt sind.
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In der Schaltungsanordnung nach Figur 4 wird der Luftdruck verändert
durch
Drehzahlveränderung des Antriebs 33 des Ventilators 1, demzufolge beispielsweise
die Frequenz des den i -triebsmotor 33 speisenden Drehstroms proportional der Wurzel
aus der Temperatur über einen Frequenzumrichter 32 verändert wird. In den Abzweigen
für die einzelnen Brenner ist bei dieser Ausführung je ein Stellmotor 30 für die
fernverstellbare Drosselklappe 28 für Luft sowie ein Stellmotor 31 für die Drosselklappe
29 für Gas vorgesehen. £ In Figur 3 ist die Kennlinie eines Radialgebläses mit hoher
statischer Pressung gezeigt, die etwa in drei Abschnitte zu gliedern ist, wobei
die statische Druckerhöhung H" in Abhängigkeit vom Förderstrom "Q" aufgetragen ist.
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Im ersten Abschnitt arbeitet der Ventilator instabil, d.h. der geförderte
Luftstrom ist von starken Druckschwankungen begleitet.
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Im zweiten Abschnitt ist der statische Druck weitgehend kon-.
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stant, und zwar unabhängig von änderungen des Förderstromes.
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In diesen Abschnitt wird üblicherweise der Arbeitspunkt für den Betrieb
des Ventilators als Lieferquelle für Verbrennungs luft gelegt, um möglichst gleichbleibenden
Luftdruck auch bei unterschiedlicher Entnahme zu erzielen.
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Der dritte Abschnitt ist charakterisiert durch einen starken Abfall
-der statischen Druckerhöhung mit wachsendem Förderstrom.
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Diese Abschnitte sind besonders stark zu unterscheiden bei Laufrädern
mit rückwärts gekrümmter Beschaufelung. Der dritte Abschnitt ist besonders charakteristisch
ausgeprägt bei Laufrädern mit radialer oder vorwärts gekrümmter Beschaufelung.
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Nach der erfindungsgemäßen Lehre wird der Verbrennungsluftventilator
1 so betrieben, daß seine Arbeitspunkte im dritten Abschnitt der Kennlinie liegen.
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Wird beispielsweise das Mischungsverhältnis von Heizgas und Verbrennungsluft
an den Brennern 3 bei Versorgung mit Kaltluft eingestellt, so erfolgt dies bei einem
bestimmten Luftdruck, der für den Brennerbetrieb ausreichend ist, aber deutlich
unter dem max. erreichbaren Lieferdruck des Ventilators 1 liegt.
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Dieser Vordruck ist einstellbar über ein in Reihe mit dem motorisch
betätigten Drosselorgan 7 angeordnetes, fest justierbares weiteres Drosselorgan
6.
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Die Einstellung dieser Justier-Drosselstelle erfolgt bei vollgeöffneter
Regeiklappe und bei voll abgesperrtem Bren ner 3. Er bestimmt dadurch den maximalen
Forderstrom der gleich ist dem maximalen Abzweigstrom bei Verbraucherstrom gleich
Null. Auf diesen Vordruck wird der Druckregler ein gestellt. Die Regeldrosselklappe
7 verschließt dann bei Luftdurchfluß zu den Brennern 3 die Abzweigleitung 5 so weit,
daß durch Konstanthaltung des Gesamt-Förderstromes der statische Druck gleichbleibt.
Bei einer beispielsweisen Erhöhung der Temperatur wird der Druck-Sollwert über den
Prozessor 11 soweit angehoben, daß der Durchfluß durch die Verbraucher 3 unverändert
bleibt gegenüber dem eingestellten Durchfluß bei Kaltluftbetrieb.
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Der Luftdruck ist zur Konstanthaltung des Mengenflusses pro portional
der Temperatur zu ändern. In der Praxis ist der Proportionalitätsfaktor etwa kleiner
als 1 einzustellen, da im Brenner bei Warmluftbetrieb ach das Gas vortemperiert
wird. Dieser Abgleich kann im Prozessor 11 vorgenommen werden nach Maßgabe der am
Brennermund gemessenen Gas- und Lufttemperaturen, oder nach Maßgabe einer Abgasanalyse.
Soll das Mischungsverhältnis geändert werden, so ist dies in einfacher Weise durch
Betätigung der umschalteinrßchtung 13 mögliche