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Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer
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brennstoffbeheizten Wärmequelle Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten
Wärmequelle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Solche Verhältnisregelungen sind bekannt. Sie beruhen im wesentlichen
auf der Messung des Sauerstoffpartialdrucks in den Abgasen der brennstoffbeheizten
Wärmequelle. Die dort verwendeten Sauerstoffpartialdruck-Meßfühler haben sich jedoch
als sehr teuer und sehr empfindlich erwiesen, so daß ihre Anwendung nur bei industriellen
Großfeuerungen in die Praxis umgesetzt wurde. Es besteht aber ein lebhaftes Bedürfnis,
auch bei Kleinleistungen bis herab zu sieben bis acht Kilowatt Feuerstätten mit
einem optimalen Brennstoff-Luftverhältnis zu betreiben, um hier bei der Masse der
Haushalte Energie sparen zu
können.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine auch für
kleine Leistungen benutzbare Regeleinrichtung zu schaffen, die unempfindlich und
preiswürdig ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren
eins und zwei der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen Figur eins eine Prinzipdarstellung einer brennstoffbeheizten
Wärmequelle und Figur zwei eine elektrische Schaltung.
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In beiden Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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In der Figur eins ist eine brennstoffbeheizte Wärmequelle abgebildet.
Bei dieser kann es sich um einen Kessel, einen Wasserspeicher, einen Durchlauferhitzer
für Brauchwasserbereitung
oder einen Umlaufwasserheizer zur Speisung
einer Zentralheizungsanlage handeln. Dargestellt ist ein Umlaufwasserheizer 1, der
ein Gehäuse 2 aufweist, das eine Brennkammer 3 umschließt. Die Brennkammer enthält
einen Heizschacht 4, der einen Wärmetauscher 5 aufweist, von dem eine mit einem
Vorlauftemperaturfühler 6 versehene Vorlaufleitung 7 abgeht, die über eine Serien-oder
Parallelschaltung einer Vielzahl von Radiatoren mit einer Rücklaufleitung 8 verbunden
ist, in die eine Umwälzpumpe 9 eingeschaltet ist, wobei die Rücklaufleitung 8 wieder
mit dem Wärmetauscher 5 verbunden ist. Der Vorlauftemperaturfühler 6 ist über eine
Meßleitung 10 mit einem Regler 11 verbunden. Die brennstoffbeheizte Wärmequelle
1 ist über eine Rohranordnung 12 mit der Atmosphäre verbunden, wobei die Rohranordnung
aus einem innenliegenden Abgasrohr 13 und einem außenliegenden über einen Zuluftringkanal
14 im Abstand zum Innenrohr 13 stehenden Außenrohr 15 gebildet wird. Das Innenrohr
13 ist im Inneren der Brennkammer 3 mit einem Austrittsstutzen 16 eines von einem
Elektromotor 17 angetriebenen Gebläses 18 verbunden. Der Motor ist über eine Stelleitung
19 mit dem Regler 11 verbunden. Der Ansaugstutzen des Gebläses 18 ragt in den Innenraum
20 innerhalb des Heizschachtes 4 stromab des Wärmetauschers.
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Dem im Ringkanal 14 strömenden Zuluftstrom ist ein Platinmeßwiderstand
21 ausgesetzt, der über ein Leitungspaar 22 mit dem Regler 11 verbunden ist. Im
Ringkanal ist stromab des Meßfühlers 21 eine Drosselblende 23 vorgesehen, stromauf
der Meßblende 23 mündet eine pneumatische Meßleitung 24, die auf ihrem anderen Ende
mit einem Membranstellmotor 25 verbunden ist, dr über eine Stellstange 26 mit einem
Gasventil 27 verbunden ist, das einen Brenner 28 über eine Gasleitung 29 speist.
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Dem Abgaskanal im Inneren des Innenrohres 13 ist ein weiterer als
Platinwiderstand ausgebildeter Meßfühler 30 zugeordnet, der über Leitungen 31 mit
dem Regler 11 verbunden ist. Die beiden Platindrahtmeßfühler 21 und 30 bilden die
eigentlichen Meßglieder des Reglers 11.
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Es sind zwei weitere Kompensationstemperaturfühler 32 und 33 vorgesehen,
die über Leitungen 34 und 35 gleichermaßen mit dem Regler 11 verbunden sind.
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Aus der Figur zwei geht die Verschaltung der Meßfühler und der Kompensationsfühler
hervor.
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Es ist eine Wheatstonesche Brücke 40 vorgesehen, die zwei Aste 41
und 42 aufweist, die ihrerseits je zwei Zweige aufweisen. Der Ast 41 wird aus der
Serienschaltung der beiden Meßfühler-Platinwiderstände 21 und 30 gebildet,
wobei
die Leitungen 22 und 31 miteinander verbunden sind und diese Verbindungsstelle den
einen Punkt der Brückendiagonale bildet, die über eine Leitung 43 mit dem Regler
11 verbunden ist. Der zweite Ast 42 besteht aus den Kompensationsfühlern 32 und
33, die in Serie durch Verbindung der Leitungen 34 und 35 geschaltet sind. Der Verbindungspunkt
der beiden Leitungen 34 und 35 bildet den anderen Punkt der Brückendiagonale und
ist über eine Leitung 44 mit dem Regler 11 verbunden. Die Verbindungen der Leitungen
22 und 35 beziehungsweise 31 und 34 bilden die Einspeisungspunkte für eine Gleichspannungsspeisequelle
45, die über Leitungen 46 und 47 mit den entsprechenden Einspritzpunkten der Brücke
verbunden sind.
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Wie die Figur zwei zeigt, kann es zweckmäßig sein, in dem Ast der
Brücke 40, der den Kompensationstemperaturfühler 32 aufweist, einen weiteren einstellbaren
Widerstand 48 anzuordnen, auf dessen Funktion später noch eingegangen wird. Die
Funktion der Regeleinrichtung stellt sich wie folgt dar, wobei zunächst davon ausgegangen
wird, daß die Wärmequelle nur im Vollastbetrieb arbeitet. Die beiden Meßfühler 21
und 30 werden von der Speisespannungsquelle 45 beheizt und werden vom vorbeistreichenden
Luft- beziehungsweise Abgasstrom gekühlt. Da ihre Widerstandswerte und das Temperaturverhalten
der Widerstandsänderung gleich ist und da an beiden Widerständen der gleiche
Durchsatz
an Zuluft sowie Abgas stattfindet, ist die an den Widerständen abfallende Spannungsdifferenz
unmittelbar ein Maß für den Zustand des Gases. Durch die Mitwirkung der Zuluft an
der Verbrennung des Gases wird Sauerstoff in Kohlendioxyd umgewandelt, so daß sich
die Wärmeleitfähigkeit des Abgases gegenüber der der Luft ändert. Somit ist die
Spannungsdifferenz zwischen den beiden Meßfühlern unmittelbar ein Maß für den Kohlendioxydgehalt
des Abgases. Würde der Brenner 28 nicht in Betrieb sein, so wären beide Meßwiderstände
nur der Frischluft ausgesetzt und das Spannungsdifferenzsignal wäre Null. Ist somit
das eine Gas (das Abgas) nicht reine Luft, sondern enthält es Kohlendioxyd, so wird
die Wärmeleitfähigkeit dieses Gases geringer, weil die Wärmeleitfähigkeit von Kohlendioxyd
geringer ist als die von Luft. Der Platindraht des Fühlers 30 kühlt sich weniger
ab, so daß der elektrische Widerstand größer ist, als wenn er der Luft ausgesetzt
wäre. Die Wheatstonesche Brücke 40 ist nicht mehr abgeglichen, die Brückendiagonalspannung
ist der C02-Konzentration proportional. Mit diesem Spannungssignal kann der Regler
11 die Drehzahl des Ventilators 17 nachstimmen, um so ein optimales Brennstoff-Luftverhältnis
einzuregeln.
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Diese Regelung funktioniert aber nur unter der Annahme, daß sich die
Temperatur der Frischluft nicht ändert.
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Dies kann aber durchaus der Fall sein, und hierfür ist der erste Kompensationstemperaturfühler
33 vorgesehen.
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Bei diesem handelt es sich gleichermaßen um einen Platinwiderstand.
Dieser Platinwiderstand ist im Frischluftweg angeordnet und gleicht die Einflüsse
einer Temperaturänderung der Zuluft auf die Verstimmung der Wheatstoneschen Brücke
40 aus.
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Weiterhin könnte es vorteilhaft sein zu berücksichtigen, daß die Wärmequelle
nicht immer nur mit Vollast, sondern mit einer sich stetig oder stufenweise ändernden
Last betrieben wird. Zum Beispiel im Falle einer außentemperaturabhängigen Steuerung
der Wärmelieferung durch die Wärmequelle kann eine sich stetig ändernde Belastung
die Folge sein. Hierzu wird zunächst ein bestimmter Brennstoffdurchsatz vorgegeben,
also eine bestimmte Uffnung des Brennstoffventils 27. Hierzu muß nun der entsprechende
Durchsatz an Frischluft geschaffen werden, um eine stöchiometrische Verbrennung
sicherzustellen. Da die Temperatur des Abgases von der Belastung abhängig ist und
mit steigender Teillast sinkt, würde die Brücke ebenfalls verstimmt werden. Um diese
Eigenschaft zu kompensieren, ist ein zweiter Kompensationstemperaturfühler 32 vorgesehen,
der dem Abgasweg ausgesetzt ist. Der Widerstand 48 dient dem Nullabgleich der Brücke
und Sollwertvorgabe der
C02-Gehaltes, der analog für den 02-Gehalt
der Zuluft steht.
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Bei der beschriebenen Regeleinrichtung wird durch nicht dargestellte
Mittel sichergestellt, daß ein bestimmter Luftüberschuß nicht unterschritten werden
kann, in diesem Fall könnte es zu einer Störabschaltung der Wärmequelle oder zu
einem maximalen Luftüberschuß kommen, beispielsweise könnte in diesem Fall der Ventilator
auf maximale Drehzahl verstellt werden.
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