-
Verfahren und Anordnung zur Regelung eines
-
Industriebrenners mit integriertem Rekuperator Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Industriebrenners mit integriertem Rekuperator,
wobei die Brennstoff- und Lufteintrittsmengen gemessen werden und in Abhängigkeit
von den zugehörigen Meßwerten wenigstens ein das Mischungsverhältnis des Brennstoff-Luftgemisches
bestimmendes Steuersignal gebildet wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine
Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
-
Die rekuperative Luftvorwärmung ist sowohl bei sogenannten Strahlrohrbrennern
als auch bei Brennern mit in den Brennraum geleiteten Abgasen inzwischen allgemein
üblich. Bei Industriebrennern wird das BrennstoffLuftgemisch zur Anpassung der Wärmeabgabe
des Brenners an den jeweiligen Wärmebedarf des beheizten Ofenraumes zumeist stetig
geregelt.
-
Um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, wird ein nahstöchiometrisches Mischungsverhältnis
des Brennstoff-Luftgemisches mit Luftzahlen nahe A = 1 angestrebt. Die Luftzahl
Ä = 1 wird für die maximale Luftvorwärmtemperatur in der Regel mit Hilfe einer Dosierblende
für Luft eingestellt. Zu Beginn jedes Verbrennungsvorganges ist die Luft weniger
vorgewärmt und die kinematische Zähigkeit der Luft dementsprechend geringer. Der
Reibungswiderstand
der Luft im Rekuperator liegt entsprechend niedriger, so daß der Brenner mit einer
Luftzahl A > 1 arbeitet.
-
Industriebrenner mit rekuperativer Luftvorwärmung, die mit einer Impuls-
bzw. Ein-Aus-Regelung betrieben werden, erzeugen während relativ kurzer Einschaltphasen
Feuerstöße bei voller Leistung und werden danach jeweils abgeschaltet. Im Impuls-bzw.
Ein-Aus-Betrieb des Brenners überspannt der Anfahrbereich bis zum Erreichen der
maximalen Luftvorwärmtemperatur ( jt = 1) mindestens 80 % der Betriebszeit. Diese
Betriebsweise bei voreingestellten Dosierdrosseln und selbständiger Einstellung
der richtigen Luftzahl bei maximaler Luftvorwärmung nimmt eine zu große Zeit in
Anspruch und ist daher unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung verbesserungsbedürftig.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebsbedingungen
des Brenners derart regelbar zu machen, daß der feuerungstechnische Wirkungsgrad
verbessert und Energie und Betriebsmittel eingespart werden können.
-
Bei der Lösung dieser Aufgabe stützt sich die Erfindung auf die Erkenntnis,
daß zur Optimierung des Energieverbrauchs insbesondere beim Betreiben von Industriebrennern
in der Ein-Aus-Technik (Impulsbetrieb) wenigstens ein die Gemischregelung beeinflussendes
Stellglied, insbesondere das Stellglied der Luft, so verstellt werden muß, daß zu
jedem Zeitpunkt die Luftzahl X den Luftvorwärmtemperaturen entsprechend korrigiert
werden kann.
-
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, schlägt
die Erfindung zur Aufgabenlösung vor, daß zusätzlich die Abgastemperatur hinter
dem Rekuperator und die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft gemessen werden,
daß aus den
Mengen- und Temperaturmeßwerten unter Berücksichtigng
von vorgegebenen geometrischen Rekuperatorkenngrößen laufend der zugehörige Druckverlust
im Rekuperator bestimmt und daß in Abhängigkeit von dem Druckverlust das Mischungsverhältnis
des Brennstoff-Luftgemisches geregelt wird.
-
Durch die Erfindung gelingt die Korrektur der Luft zahl entsprechend
den Luftvorwärmtemperaturen erstmals im Ein-Aus-bzw. Impulsbetrieb. Durch laufende
Regelung des Mischungsverhältnisses vorzugsweise über das Verbrennungsluftstellglied
kann der Brenner auch während der relativ langen Anfahrphase auf optimalen feuerungstechnischen
Wirkungsgrad eingestellt und Energie eingespart werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann sowohl bei Strahlrohrbrennern als auch bei Brennern deren Abgase in den Brennraum
gelangen angewendet werden.
-
Bei Rekuperatorbrennern wird das Abgas über einen Injektor abgesaugt.
Dieser Injektor konnte bisher nur an einem Betriebspunkt mit optimalem Wirkungsgrad,
d. h. mit minimaler Treibluftmenge bei maximalen Druckgewinn betrieben werden. Die
Optimierung des InjektorWirkungsgrades ermöglicht die Erfindung dadurch, daß die
Injektor-Treibluftmenge in Abhängigkeit von der Abgastemperatur gesteuert wird.
Da die Abgastemperatur als Meßgröße für die Steuerung der Verbrennungsluftmenge
bei der Erfindung ohnehin zur Verfügung steht, läßt sich die Steuerung der InjektorTreibluftmenge
abhängig von der Abgastemperatur mit besonders einfachen Mitteln und ohne beachtlichen
Mehraufwand realisieren.
-
Bei einem Injektorsystem gibt es für jedes Massenstromverhältnis (Verhältnis
von Gesamtmassenstrom zu Treibluftmassenstrom) ein bestimmtes Querschnitts- bzw.
Durchmesserverhältnis zwischen Ansaugrohr und Düse, bei welchem der Druckgewinn
zwischen Ansaugrohr und Austrittsdiffusor maximal ist. Da
das Massenstromverhältnis
aufgrund der notwendigen Änderung der Treibluftmenge nicht konstant bleibt, ist
das Querschnitts- bzw. Durchmesserverhältnis des Injektors nur für einen Betriebspunkt
optimal. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgesehen, daß der Druck in
dem vom Brenner beheizten Brennraum gemessen und das Querschnittsverhältnis von
Ansaugrohr und Düse des Injektors derart kontinuierlich gesteuert wird, daß bei
dem jeweils gegebenen Massenströmen ein hoher Druckgewinn zwischen Ansaugrohr und
Austrittsdiffusor erzielt wird. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Einhaltung
einer energetisch und verbrennungstechnisch günstigen Luftzahl X bei gleichzeitigem
Betreiben des Injektors mit minimaler Treibluftmenge und optimalem Druckgewinn wird
die höchstmögliche Energie- und Betriebsmitteleinsparung erreicht.
-
Als bevorzugte alternative Weiterbildung sieht die Erfindung vor,
daß bei Abgasabsaugung über einen Injektor der Treibluftmassenstrom auf ein vorgegebenes
Verhältnis zum Abgasmassenstrom bei Betriebs temperatur eingestellt wird und daß
während des Anfahrens bei Temperaturen unter der Betriebstemperatur und damit mit
einem geringeren Abgasmassenstrom, eine Teilmenge des Treibluftmassenstroms in den
Ansaugraum des Injektors geleitet wird, wobei die Teilmengensteuerung in Abhängigkeit
von der Abgastemperatur erfolgt. Bei dieser Alternative ergibt sich vorteilhaft,
daß der normalerweise sowohl die Verbrennungsluft als auch die Treibluft liefernde
Kompressor immer mit der gleichen Leistung betrieben werden kann, d.h. nicht in
der Leistung geregelt werden muß.
-
Zur Steuerung der Teilmenge der Treibluft wird vorteilhaft der Querschnitt
von in den Ansaugraum des Injektors mündenden Treibluftabzweigöffnungen verstellt.
-
Industwieöfen werden in den meisten Fällen mit mehreren Brennern
beheizt.
Um zu verhindern, daß bei einer nicht ordnungsgemäßen Funktion eines Brenners, z.B.
durch Ausfall eines Meß-oder Regelgerätes und dadurch bedingter falscher Regelung,
die anderen Brenner beeinflußt werden, werden in Weiterbildung der Erfindung die
Drücke in jedem Ansaugraum eines jeden Injektors gemessen und die Ansaugraumdrücke
mit dem Brennraumdruck verglichen und in Abhängigkeit dieses Vergleichs die jeweiligen
wirksamen Treibluftmengen verstellt.
-
Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet
sich dadurch aus, daß Meßgeräte zur Messung der Brennstoff- und Lufteintrittsmengen
und der Lufteintrittstemperatur vorgesehen sind, daß hinter dem Rekuperator ein
Meßfühler zum Messen der Abgastemperatur angeordnet ist und daß ein Rechner, dem
die geometrischen Rekuperatorkenngrößen als feste Parameter eingegeben sind, mit
den Meßgeräten verbunden ist und aus deren Meßwerten unter Berücksichtigung der
Rekuperatorkenngrößen den Druckverlust im Rekuperator berechnet und ein zum Druckverlust
analoges Steuersignal zur Einstellung eines das Mischungsverhältnis des Brennstoff-Luftgemisches
bestimmenden Stellgliedes, vorzugsweise des Verbrennungsluftstellgliedes, erzeugt.
-
In der Ausführung des Brenners als Rekuperatorbrenner mit einem Injektor
zur Abgasabsaugung sind das Mischrohr und die Düse des Injektors auf unterschiedliche
Querschnittsverhältnisse einstellbar. Ferner ist ein den Brennraumdruck messendes
Meßgerät mit dem Rechner verbunden. Der Rechner erzeugt in Abhängigkeit von dem
Brennraumdruck und der Abgastemperatur ein Steuersignal zur Steuerung eines das
Querschnittsverhältnis einstellenden Stellgliedes.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand schematisch in der
Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung zur
Regelung eines Rekuperatorbrenners; und Fig. 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel
des Injektors, teilweise in Schnittdarstellung, mit einer Vorrichtung zum Ändern
des wirksamen Treibluftmassenstromes.
-
Ein als Gasbrenner ausgebildeter Rekuperatorbrenner 1 beheizt den
Brennraum eines Ofens 2. Ein Gaszufuhrrohr 3 und ein Luftzufuhrrohr 5 sind in einem
Mantelrohr 14 des Rekuperatorbrenners konzentrisch angeordnet. In bekannter Weise
sind an dem Luftzufuhrrohr 5 Wärmetauscherrippen angeformt, die sowohl in den Ringraum
zwischen Mantelrohr 14 und Luftzufuhrrohr 5 als auch in den Ringraum zwischen Luftzufuhrrohr
5 und Gaszufuhrrohr 3 eingreifen. Das Abgas aus dem Brennraum wird im Gegenstrom
zum Luftstrom aus dem Brennraum durch den äußeren Ringraum zu einem Injektorsystem
26 geleitet.
-
Die Brenngasmenge wird über ein Gasstellglied 4 und die Luftmenge
über ein in einer Luftzufuhrleitung 6 angeordnetes Luftstellglied 7 gesteuert.
-
Das Injektorsystem 26 weist ein Mischrohr 15 mit einer konisch verjüngten
Einlaßöffnung 17 und ein Injektorrohr 16 mit einer konischen Düse auf. Die Düse
des Injektorrohrs 16 ist relativ zur konischen Einlaßöffnung 17 des Mischrohrs 15
axial verschiebbar, wodurch das Durchmesser- bzw. Querschnittsverhältnis D/d von
Mischrohr 15 zu Düse zur Optimierung des Druckgewinns zwischen Ansaugraum und Austrittsdiffusor
veränderlich ist. Dit Verstellung der Düse erfolgt mittels eines Stellmotors
18
in Abhängigkeit von einem Steuersignal D/d5.
-
Im Betrieb des Brenners steuert ein als zentraler Regler dienender
Rechner 11 die Gasmenge über das Brenngasstellglied 4, die Luftmenge über eine Leitung
12 und das Verbrennungsluftstellglied 7, das Querschnittsverhältnis D/d des Injektorsystems
26 über den Stellmotor 18 und die Treibluftmenge über das Treibluftstellglied 25.
Als Meßgrößen zur Regelung des Brennstoff-Luftgemisches dienen die Lufteintrittstemperatur,
gemessen durch einen Temperaturfühler 8 über eine Leitung 10, die Verbrennungsluftmenge
VL, gemessen über einen Durchflußmesser 9 über eine Leitung 13, die Brenngasmenge
VG, gemessen mittels eines in der Brenngasleitung angeordneten Durchflußmessers
23 über eine Leitung 24, und die Abgastemperatur tAG, gemessen in der Abgasleitung
zum Injektor 26 mittels eines Temperaturfühlers 21 über eine Leitung 22. Die geometrischen
Rekuperatorkenngrößen KR sind dem Rechner 11 voreingegeben. Letzterer berechnet
aus diesen Größen und den Meßgrößen die Luftvorwärmtemperatur und den zur Luftvorwärmtemperatur
und der Abgasaustrittstemperatur tAG gehörenden Druckverlust im Rekuperator. Dieser
Druckverlust im Rekuperator dient als Maß für die Einstellung des Luftstellgliedes
7 zur Regelung des Gas-Luftgemisches, wobei die Luftzahl ständig entsprechend den
Luftvorwärmtemperaturen korrigiert wird.
-
Das Querschnitts- bzw. Durchmesserverhältnis von Mischrohr 15 und
Düse des Injektorrohrs 16 wird mit Hilfe eines Steuersignals D/dS als Funktion der
Meßgrößenabgastemperatur tAG und des Brennraumdrucks PBr, letzterer gemessen über
einen Druckmesser 27 und eine Leitung 28, vom Rechner 11 bestimmt.
-
Wenn sich die Treibluftmenge und damit das Massenstromverhältnis ändert,
wird das Querschnitts- bzw. Durchmesserverhältnis D/d des Injektors 26 derart nachgeregelt,
daß der Druckgewinn zwischen Ansaugraum und Austrittsdiffusor stets auf einem
Maximum
gehalten werden kann. Dadurch kann der Injektor mit minimaler Treibluft bei optimalem
Druckgewinn betrieben und ein hoher Energienutzungsgrad erzielt werden.
-
Wenn zur Heizung eines Brennraumes mehrere Brenner eingesetzt sind,
was in Industrieöfen meistens der Fall ist, wird über einen Meßfühler 29 der Druck
im Ansaugraum des Injektors 26 gemessen und über eine Leitung 30 dem Rechner 11
eingegeben.
-
Durch Überprüfen des Druckverhältnisses Brennraumdruck zu Ansaugraumdruck
eines jeden Brenners kann sichergestellt werden, daß bei Ausfall eines Brenners
die anderen Brenner nicht auf fehlerhafte Betriebsbedingungen, z.B. mit der Folge
eines Brennraumunterdrucks geregelt werden.
-
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Injektors 31
dargestellt. Das Abgas strömt in Richtung des mit 32 bezeichneten Pfeils dem Injektor
zu, bzw. wird durch die über das Treibluftrohr 33 (Pfeil 34) zugeführte Treibluft
angesaugt. Im Ansaugraum 35 ist ein Druckmeßfühler 36 vorgesehen, der den dort herrschenden
Druck Pl über die Leitung 37 zum Rechner meldet. Die Injektordüse 38 ist bei diesem
Ausführungsbeispiel räumlich fest zum Mischrohr 39 angeordnet. Die Besonderheit
dieses Ausführungsbeispiels besteht in den im Treibluftrohr 33 vorgesehenen Abzweigöffnungen
40, die über eine Vorrichtung, schematisch als Abdeckring 41 gezeigt, verschlossen
werden können. Der Abdeckring 41 ist durch einen Motor 42 in Richtung des Doppelpfeiles
43 verstellbar und kann damit die vom Treibluft-Gesamtmassenstrom mT in den Ansaugraum
35 abgezweigte Teilmenge mT1 steuern. Diese Mengensteuerung erfolgt in Abhängigkeit
von der Abgastemperatur tAG. Im Anfahrbereich (niedrige Abgastemperaturen) werden
die Querschnitte der Abzweigöffnungen 40 weitgehend geöffnet und mit zunehmenden
Abgastemperaturen bis zum Erreichen der Betriebstemperatur weitgehend geschlossen.
Bei Betriebstemperaturen ist also der
auf den Abgasmassenstrom
mAG abgestimmte Treibluft-Gesamtmassenstrom mT wirksam und tritt durch die Injektordüse
38 aus.
-
In alternativer, in der Zeichnung nicht dargestellter Ausführung kann
der Abdeckring 41 mit radialen Öffnungen versehen und im Bereich der Abzweigöffnungen
40 derart drehbar gelagert sein, daß der Öffnungsquerschnitt durch Überlappung der.Öffnungen
steuerbar ist.