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Brennstoffbeheizte Wärmequelle
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine brennstoffbeheizte
Wärmequelle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die Steuerarmatur einer solchen Wärmequelle ist bekanntgewordei durch
die DE-OS 3000 669. Die zugehörige Wärmequelle arbeitet mit natürlicher Zufuhr von
Verbrennungsluft und Abfuhr des Abgases aufgrund des thermischen Auftriebs der Verbrennungsgase.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche
Steuerarmatur einzurichten für den Betrieb mit einer Wärmequelle, die eine geschlossene
Brennkammer aufweist und die über ein Lufteinlaß- und einen Verbrennungsgasauslaß,
in dem ein Gebläse angeordnet ist, mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zur Erzielung
eines hohen Wirkungsgrades kommt es hierbei darauf an, eine Verhältnisregelung zu
schaffen, um parallel zu der angeforderten Brennstoffmenge in der Zeiteinheit den
entsprechenden
Luftdurchsatz zur Erzielung einer optimalen Verbrennung
bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche sowie der Unteransprüche
beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Figuren eins und zwei näher erläutert.
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Die Figuren zeigen Prinzipdarstellungen der brennstoffbeheizten Wärmequelle
und der Steuerarmatur.
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Die Steuerarmatur 1 gemäß Figur 1 weist ein Gehäuse eines Gasdruckreglers
auf, das eine Gaseinlaßöffnung 3 und eine Gasauslaßöffnung 4 besitzt, die zu einem
Brenner 5 einer brennstoffbeheizten Wärmequelle 69 wie eines Umlaufwasserheizers,
Durchlaufwasserheizers oder Kessels beziehungsweise Ofens, führt. Die brennstoffbeheizte
Wärmequelle besteht im wesentlichen aus einem gasdichten Gehäuse, das an seiner
einen Seite einen Lufteinlaß 7 und an der anderen Seite einen Verbrennungsgasauslaß
8 aufweist, wobei in letzterem ein Gebläse 9 angeordnet ist,
dessen
nicht weiter dargestellter Motor über eine Leitung mit elektrischer Energie beaufschlagt
werden kann. Der Brenner 5 beheizt im Innenraum 11 der brennstoffbeheizten Wärmequelle
einen Wärmetauscher 12, der an eine Vorlaufleitung 13 und eine Rücklaufleitung 14,
in der eine Umwälzpumpe 15 angeordnet ist, angeschlossen ist. Vor- und Rücklaufleitung
sind mit einem Verbraucher 16 verbunden, der aus einer Vielzahl parallel und/oder
in Serie zueinander liegender Radiatoren, gegebenenfalls auch einem Brauchwasserbereiter,
bestehen kann. Es kann auch vorkommen, daß der Brauchwasserbereiter in einem Paralleizweig
zu Radiatoren angeordnet ist und einen Durchlaufwasser-Wärmetauscher darstellt.
In diesem Fall ist eine Kaltwasser-Zapfleitung 17 vorhanden, die durch den Brauchwasser-Wärmetauscher
durchgeschleift ist und mit einem Wasserschalter 18 versehen ist, bevor sie zu einem
Zapfventil 19 führt.
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Im Bereich des Gehäuses 2 ist, dem Einlaß 3 nachgeschaltet, eine Kammer
20 gebildet, in der ein Ventil 21 einer thermoelektrischen Zündsicherung angeordnet
ist. An die Kammer schließt sich hinter dem Ventil der thermoelektrischen Zündsicherung
eine weitere Zwischenkammer 22 an, von der eine Zündgasleitung 23 abzweigt. In der
Zwischenkammer 22 ist ein Ventilsitz 24 vorgesehen, der von einem
von
einer Stange 25 angelenkten Ventilkörper 26, der unter der Rückstellkraft einer
Druckfeder 27 steht, im Ruhezustand verschließbar ist, wobei die Stange mit einem
Membranteller 28 einer Membran 29 verbunden ist, die in einer weiteren Kammer 30
druckdicht an ihrem Rand eingespannt ist.
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Die Kammer 30 wird somit von der Membran 29 in zwei Druck räume 31
und 32 unterteilt, von denen der letztgenannte an die Auslaßleitung 4 angeschlossen
ist. Das Ventil 24/26 ist im Ruhezustand geschlossen, das heißt, die Kammern 22
und 32 sind voneinander getrennt. Der Druckraum 30 steht über einen Kanal 33 mit
einem Ventilmittelraum 34 in Verbindung, der von zwei Ventilsitzen 35 und 36 und
einer Abströmöffnung 37 begrenzt ist. Vom Ventilsitz 36 führt ein Kanal 38 zu einer
Verzweigungsstelle 39, von der ein Kanal 40 zur Auslaßleitung 4 führt. Ein weiterer
Kanal 41 führt zu einer Membrankammer 42, die über eine Leitung 43, in der ein Ventilsitz
44 vorgesehen ist, mit der Abströmöffnung 37 verbunden ist. Mit dem Ventiisitz 44
korrespondiert ein Ventilkörper 45, der von einer sich gegenüber dem Gehäuse 2 abstützenden
Druckfeder 46 in Offnungsstellung bewegbar ist. Der Ventilkörper 45 ist an einer
Membran 47 befestigt, die unter der Wirkung einer Druckfeder 48 steht, die von einer
Stellschraube
49 justierbar ist, die ihrerseits in einem Gewinde
im Gehäuse 2 geführt ist. Auf der der Membrankammer abgewandten Seite der Membran
ist eine weitere Membrankammer 50 gebildet, die über eine Uffnung 110 mit einer
weiteren Membrankammer 51 in Verbindung steht. Diese Membrankammer wird außer von
dem Gehäuse 2 von einer Membran 52 begrenzt, die auf der der Membrankammer 51 abgewandten
Seite eine weitere Membrankammer 53 bildet, in welcher eine Druckfeder 54 gelagert
ist, die von einer Einstellschraube 55 justierbar ist, die in einem Innengewinde
des Gehäuses verstellbar, von außen zugänglich gelagert ist.
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Die Membrankammer 53 ist über eine Drosselbohrung 56 mit der Atmosphäre
verbunden. Mit der Membran 52 ist ein Ventilkörper 57 verbunden, der mit einem im
Gehäuse angeordneten Ventilsitz 58 korrespondiert. Der Ventilsitz steht über eine
Leitung mit der Membrankammer 51 in Verbindung.
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Der Ventilkörper 57 steht unter der Wirkung einer Druckfeder 60, die
sich gegenüber dem Gehäuse 2 abstützt und das Bestreben hat, den Ventilkörper 57
vom Ventilsitz 58 abzuheben. Auf der anderen Seite der Leitung 59 schließt sich
an den Ventilsitz 58 eine Kammer 61 an, die über eine Bohrung 62 relativ kleinen
Querschnitts mit der Membrankammer 51 und ueber eine Zuluftbohrung 63 über einen
Luftfiiter
64 mit der Atmosphäre verbunden ist. Ober eine Ansaugleitung 65 ist die Kammer 61
mit dem Saugstutzen einer Membranpumpe 66 verbunden, die von einem nicht dargestellten
Motor angetrieben wird, der über eine Leitung 67 mit Energie versorgt wird. Die
Membranpumpe weist eine Druckleitung 68 auf, in der ein Luftfilter 69 angeordnet
ist und die über eine Drosselbohrung 70 mit der Membrankammer 51 in Verbindung steht.
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Der Ventilsitz 35 wird von einem Ventilkörper 71 beherrscht, der an
einem Hebel 72 befestigt ist und sich in einem Raum 73 befindet, der von dem Ventilsitz
35 beherrscht wird. Im Raum 73 ist ein Elektromagnet 74 angeordnet, der an eine
Speiseleitung 75 angeschlossen ist und der den Hebel 72 anziehen kann. Zur Rückstellung
des Hebels ist eine Zugfeder 76 vorgesehen, die den Hebel um den Drehpunkt 77 in
die in der Zeichnung dargestellte Ruhelage schwingt. Der Raum 73 steht über eine
Drosselbohrung 78 mit der Zwischenkammer 22 in Verbindung.
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Die brennstoffbeheizte Wärmequelle 6 steht mit einem Regler 79 in
Verbindung, an dem über eine Meßleitung 80 ein Außentemperaturfühler 81 angeschlossen
ist. Weiterhin ist über eine Meßleitung 82 ein Temperaturfühler 83 angeschlossen,
der den Istwert der in der Vorlaufleitung 13
herrschenden Temperatur
des Heizmediums abfühlt. An den Regler ist eine Leitung 84 angeschlossen, die über
den Regler zu einem Thermoelement führt, das dem an die Leitung 23 angeschlossenen
Zündbrenner zugeordnet ist. Eine Ausgangsleitung 85 führt zu einem Schalter 86,
der im Ruhezustand geöffnet ist und einer Membrankammer 87 zugeordnet ist. An die
andere Seite des Schalters ist die Leitung 75 angeschlassen, die zu dem Elektromagneten
74 führt. Von der Membran 88 der Membrankammer 87 werden zwei Druckräume 89 und
90 voneinander getrennt, die mit Druckleitungen 91 und 92 verbunden sind. Mit der
Membran 88 ist ein Schaltstift 93 verbunden, der zur Betätigung des Schalters 86
dient.
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Im Zuge der Lufteinlaßleitung 7 ist eine Staustelle 94 vorgesehen3
an die stromauf und stromab zwei Leitungen 95 und 96 angeschlossen sind. Die Leitung
95 ist mit der Leitung 91, die Leitung 96 mit der Leitung 92 verbunden, beide Leitungen
führen zu Druckräumen 97 und 98 eines Solldruckgebers 99, der auf die Membrankammer
53 aufgesetzt und baulich mit ihr vereinigt ist. Der Druckraum 97 ist zwischen einer
Membran 100 bis zu der Membran 101 gebildet. Beide Membranen sind druckdicht längs
ihres Randes im Gehäuse eingespannt, die Membran ist druckdicht mit einem Stift
102 verbunden, dessen eines Ende ein
Stützteller 103 für die Druckfeder
54 und dessen anderes Ende von einem Membranteller 104 gebildet ist, der sich an
der einen Seite der Membran 100 abstützt. Der Membranteller 104 beziehungsweise
die Membran 100 ist mit der Einstellschraube 55 verbunden.
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Eine weitere Ausgangsleitung 105 des Reglers 79 ist mit einer Paralle'-schaltung
von zwei Justierwiderständen 106 und 107 versehen, die beide an die beiden Pole
eines Umschalters 108 des Wasserschalters 18 angeschlossen sind.
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Vom Wasserschalter führt eine Leitung 109 zu der Verzweigung der beiden
Leitungen 10 und 67, in die je ein Verstärker eingebaut ist, wobei die Verstärkungszahlen
der beiden Verstärker voneinander abweichen.
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Die eben geschilderte Wärmequelle beziehungsweise Steuerarmatur weist
folgende Funktion auf: Ausgehend von dem in der Zeichnung dargestellten Ruhezustand
sind die Ventile 21, 24/26, 19, 57/58 und 35/71 geschlossen, während das Ventil
36/71 sowie 44/45 geöffnet ist. Die Membranpumpe 66 ist stromlos, Druck- und Saugstutzen
weisen zueinander keine Druckdifferenz auf. Der Elektromagnet 74 ist stromlos. Die
Gaszufuhr zum Brenner ist unterbrochen. Durch Betätigen der Thermoelektrikdrucktasten
wird das Ventil 21 geöffnet, damit steht der
Gaseinlaß 3 mit der
Zwischenkammer 22 und über die Bohrung 78 mit der Kammer 73 in Verbindung, so daß
über die Leitung 23 Zündgas am Zündbrenner ansteht, wie es über nicht dargestellte
Mittel entzündet werden kann und ein Thermoelement beheizt, das über die Leitung
84 den Elektromagneten der thermoelektrischen Zündsicherung erregt. Damit bleibt
das Ventil 21 geöffnet.
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Wird nunmehr Gas am Brenner verlangt, beispielsweise weil der Temperaturfühler
83 angesprochen hat, so gibt der Regler über die Leitung 105 ein Ausgangssignal.
Bedingt durch die Stellung des Wasserschalters 18, ist der Wert des Widerstandes
106 in den Stromkreis eingeschleift, so daß über die Verstärker auf den Leitungen
10 und 67 ein bestimmtes Spannungssignal am Gebläse 9 beziehungsweise an der Membranpumpe
66 ansteht. Das Gebläse 9 läuft an, an der Staustelle 94 wird im Lufteinlaß 7 ein
bestimmtes Differenzdrucksignal erzeugt und über die Leitung 95 und 96 einmal auf
den Membranschalter 87 und zum anderen an die Druckräume 98 und 97 gegeben. Wird
eine bestimmte Mindestdruckdifferenz erzeugt, was einem bestimmten Mindestdurchsatz
gleichsteht, so wird der Schalter 86 geschlossen, so daß Regelausgangsspannung über
die Leitung 85 beziehungsweise 75 am Elektromagneten 74 ansteht. Der Elektromagnet
zieht den Hebel 72 gegen die Rückstellkraft
der Feder 76 an, so
daß der Ventilkörper 71 vom Ventilsitz 35 abhebt und den Ventilsitz 36 verschließt.
Als Folge davon steht der Gasvordruck über die Zwischenkammer 22 und den Raum 73
auch im Ventil-Mittelraum 34 an. Von dort steht der Druck über den Kanal 33 auch
in der Kammer 30 an, worauf sich die Membran 29 gegen die Rückstellkraft der Feder
27 aus der Ruhestellung bewegt und damit.
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den Vent-.ikörper 26 vom Ventilsitz 24 fortbewegt. Damit steht der
Gasdruck über die Auslaßleitung 4 am Brenner s an, und zwar, bedingt durch die Druckregelung
der Regler 44, 46, 48 und 49, in einem solchen Ausmaß, daß sich ein Gasstrom ergibt,
der gerade ein Oberzünden des gesamten Hauptbrenners 5 ergibt. Läuft nun die Membranpumpe
66 an, so wird verzögert infolge der Drosselbohrung 70 in der Membrankammer 51 ein
Druck aufgebaut, der über die Drosselbohrung 110 auch in der Membrankammer 50 ansteht
und dort das Bestreben hat, die Membran 47 so zu bewegen, daß der Ventilkörper 45
sich in Schließrichtung auf den Ventilsitz 44 zubewegt. Das bedeutet, daß der Druck
im Ventilmittelraum 34 ansteigt, damit steigt auch der Druck in der Kammer 30 an,
was ein weiteres Offnen des Hauptgasventils 24/26 zur Folge hat. Die Folge davon
ist ein Brennen des Brenners mit größerer Wärmeleistung. Somit steuert der Regler
79 über einen mehr oder weniger größeren
Förderdruck eine mehr
oder weniger größere Heizleistung der Wärmequelle. Da die Signale für den Antrieb
der Membranpumpe und für den Motor des Gebläses parallel liegen wird die Gebläsefördermenge
in der Zeiteinheit passend zum größeren Brennstoffdurchsatz nachgeführt.
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Da der Differenzdruck an der Staustelle 94 auch an den Druckräumen
9: und 98 ansteht, bewirkt eine größer werdende Druckdifferenz ein Steigen des Druckes
in dem Druckraum 97 mit der Folge, daß sich der Stift 102 mit der Membran 100 nach
unten bewegt, und zwar gegen die Rückstellkraft der Feder 54. Die Membran 101 bewegt
sich hierbei ìnit. Somit wird die Vorspannung der Feder 54 erhöht, was ein verstärktes
Schließen oder Geschlossenhalten des Ventils 57/58 zur Folge hat. öffnet dieses
Ventil nämlich, so werden Saug- und Druckstutzen der Membranpumpe kurzgeschlossen.
Mit dieser Einrichtung kann der maximale Druck in der Membrankammer 50 begrenzt
werden und damit auch die Maxilualleistung der Wärmequelle. Durch Variationen des
vordruckes auf die Membran 52 kann man somit die Leistung der Wärmequelle steuern,
und zwar unter direkter Nacntührung des Luftdurchsatzes durch das Gebläse 9. Somit
ist es möglich, sowohl in Voll- als auch in Teillastbereichen eine Verhältnisregelung
von Brennstoff
zu Luft zu ermöglichen, so daß der Wirkungsgrad
der Wärmequelle nicht nur im Vollast-, sondern auch im Teil lastbereich gleich hoch
bleibt.
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Beim Uffnen des Zapfventils 19 wird der Wasserschalter 18 betätigt,
der den Umschalter 108 umschaltet, so daß nicht mehr der Widerstand 106, sondern
nunmehr der Widerstand 107 in de Leitung 105 eingeschleift ist Das bedeutet daß
das Gebläse beziehungsweise die Membranpumpe auf einen anderen Sollwert umgeschaltet
werden, der der Brauchwasserlieferung entspricht.
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Erreicht die Vorlauftemperatur in der Leitung 13 die Höhle des Sollwertes,
so verringert der Regler 79 die Leistung der Wärmequelle stufenlos, bis die Membranpumpe
66 ihre Förderung einstellt. Ist die Oberzündleistung des Brenners immer noch zu
groß, so wird die Wärmequelle durch Stromloswerden des Elektromagneten 74 ganz stillgelegt.
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Hiervon unabhängig ist ein mögliches Ausschalten der Wärmequelle durch
Betätigen der Ausschalttaste der thermoelektrischen Zündsicherung.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist der Umlaufwasserheizer
201 ein äußeres Gehäuse 202 auf, in dem unter Belassung eines allseitigen Luftspaltes
203 eine Brennkammer 204 angeordnet ist. Der Wärmetauscher
205
ist an eine mit einem Temperaturfühler 206 versehene Vorlaufleitung 207 angeschlossen,
die über eine Vielzahl nicht dargestellter Radiatoren mit einer Rücklaufleitung
208 verbunden ist, in der eine Umwälzpumpe 209 eingefügt ist und die zurück zum
Wärmetauscher führt.
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Der Temperaturfühler 206 ist über eine Meßleitung 210 an eine Regel-
und Steuereinrichtung 211 angeschlossen. Das Gehäuse 202 ist an eine aus zwei koaxialen
Rohren bestehende Verbrennungsluft-Abgasleitung 212 angeschlossen, die aus einem
innenliegenden Abgasrohr 213 und einem dazu mit einem Abstand 214 konzentrisch liegenden
Außenrohr 215 besteht. Der Innenraum des Innenrohres 213 dient als Abgasweg, seinem
Anfang 216 ist ein von einem Motor 217 angetriebenes Gebläse 218 vorgeschaltet,
der seine Antriebsleistung über eine Leitung 219 von der Steuer- und Regeleinrichtung
bezieht. Der Saugstutzen des Gebläses 218 ist mit dem Innenraum 220 der Brennkammer
204 verbunden.
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In den Zwischenraum 214 ragt ein Hitzdrahtanemometer 221, dessen Draht
über ein Leitungspaar 222 mit der Steuer-und Regeleinrichtung 211 verbunden ist.
Dieses Hitzdrahtanemometer ist imstande, aufgrund der Vorheizung seines Fühlers
durch einen vorgegebenen elektrischen Strom ein Signal für den Luftdurchsatz durch
den Ringraum 214 und die Abkühlung des Fühlers durch den vorbeistreifenden
Luftstrom
zu bilden und dieser Luftdurchsatz als Signal der Steuer- und Regeleinheit 211 mitzuteilen.
Dem Hitzdrahtanemometer 221 nachgeschaltet ist eine einstellbare Blende 223, die
an dem Innenmantel des Außenrohres 215 befestigt ist und die den freien Querschnitt
des Ringspaltes 214 mehr oder weniger einzuengen imstande ist. Diese Blende wirkt
als verstellbarer Staudruckwiderstand. Zwischen dem Hitzdrahtanemometer 221 und
der Blende 223 ist eine Druckmeßleitung 224 vom Rohr 215 abgezweigt und führt zu
einem pneumatischen Stellungsgeber 225, der über eine Stellstange 226 ein Gasventil
227 beherrscht, das proportionales Steliverhalten aufweist, d. h., der von ihm freigegebene
Gasdurchsatz ist streng proportional der Auslenkung des pneumatischen Stellmotors
225. Das Gasventil liegt im Zuge einer einen Brenner 228 speisenden Gasleitung 229.
Der Brenner ist unterhalb der Brennkammer 204 angeordnet.
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Die Steuer- und Regeleinrichtung besteht einmal aus einer Steuereinrichtung
für das Verhältnis von Luft und Gas und zum anderen aus einem Regler, beispielsweise
einem Vorlauftemperaturregler. Der Regler könnte gleichermaßen auch ein Leistungsregler,
ein Rücklauftemperaturregler oder ein anderweitiger Regler für die in Frage
kommende
brennstoffbeheizte Wärmequelle sein. Steuerung und Regelung überlagern ein an der.
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Die eben geschilderte Erfindung weist folgende Funktion auf: Resultiert,
gemessen durch den Temperaturfühler 206, eine Regelabweichung für den Sollwert in
der Vorlauftemperatur 207, so wird die Steuer- und Regeleinrichtung aktiviert.
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Sie läßt zunächst über die Leitung 219 das Gebläse 218 anlaufen, wodurch
ein Luftdurchsatz von der Außenatmosphäre durch den Ringraum 214, den Zwischenraum
203, den Innenraum 220 der Brennkammer 204 und über das Gebläse 218 in das Innenrohr
213 hervorgerufen wird. Aus der Größe der Regelabweichung kann der Regelteil der
Steuer- und Regeleinrichtung 211 die Größe des Luftdurchsatzes ermitteln, die zu
dem entsprechenden Gasdurchsatz zur stöchiometrischen Verbrennung notwendig ist.
Auf eine hierzu notwendige Drehzahl wird der Motor 217 des Gebläses 218 verstellt.
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Der Luftdurchsatz-Istwert wird durch das Hitzdrahtanemometer 221 erfaßt
und mit der Soligröße verglichen. Der Regler der Steuer- und Regeleinrichtung regelt
also somit den Luftdurchsatz nach einem durch die Regelabweichung geführten Sollwert.
Das Brennstoffventil wird nunmehr rein pneumatisch in Abhängigkeit vom Ist-Luftdurchsatzwert
verstellt.
An der Blende 223 resultiert aufgrund des Strömungswiderstandes der Blende ein Staudruckwert,
der über die Leitung 224 dem pneumatischen Stellmotor 225 zugeführt wird, der seinerseits
in Abhängigkeit vom Luftdurchsatzwert gemessenen Stelldruckwert das Gasventil 227
proportional verstellt. Somit resultiert unmittelbar ein zum Luftdurchsatz passender
Brennstoffwert, der seinerseits eine solche Größe aufweist, daß es zu einer gering
überstöchiometrischen Verbrennung kommt.
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Somit ist der Regelung eine Steuerung für das Luftbrennstoffverhältnis
überlagert.
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Die Verstellbarkeit der Blende 223 dient dem Einstellen der Proportionalsteuerung.
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Es ist auch möglich, dem pneumatischen Stellmotor 225 eine abweichende
Steuerkurve zu geben, um den Proportionalitätsfaktor zu ändern. Wesentlich ist für
die Erfindung, daß der pneumatische Stellmotor 225 für eine unverzögerte und hysteresefreie
Anpassung des Gasdurchsatzes an Änderungen des Luftdurchsatzes sorgt. Die quadratischen
Abhängigkeiten zwischen Druck und Durchsatz, jeweils auf der Luft- und Gasseite,
heben sich auf, so daß ein linearer Zusammenhang entsteht.
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