DE3510136C2 - Regelanordnung für Niedertemperatur-Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung für Nieder­ temperatur-Heizkessel, bei der die Kesseltemperatur in Abhängig­ keit vom Wärmebedarf nach Maßgabe von zwei parallelen Heizkurven gleitet, von denen die eine eine untere Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils einschaltet, deren unterhalb des Rauchgastaupunktes liegender Minimalwert einstellbar ist, während die andere eine obere Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils ausschaltet, wobei im unteren Bereich der Heiz­ kurven die Schaltdifferenz veränderbar ist.

Bei modernen Niedertemperatur-Heizkesseln wird nicht mehr, wie bislang üblich, nur ein Mischer über eine Regelung angesteuert, der aus einem aufgeheizten Kesselkreislauf je nach Wärmebedarf mehr oder weniger aufgeheiztes Kesselwasser in den Verbraucherkreislauf eingibt, sondern die Steuerung erfolgt ausschließlich über die Einschaltzeiten des Brenners, wobei zwei parallele Heizkurven maßgebend sind, die sowohl in ihrer Steigung einstellbar sind als auch parallel verschoben werden können, und wobei die eine Heizkurve eine untere Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils einschaltet, während die andere eine obere Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils ausschaltet.

Zwischen der oberen und der unteren Kesseltemperatur ergibt sich dabei eine Schaltdifferenz, die über dem gesamten Regelungsbereich konstant ist und etwa 5-10°C beträgt. Die Größe der Schaltdifferenz bestimmt die Genauigkeit der Regelung.

Der Minimalwert der unteren Kesseltemperatur ist ein­ stellbar und liegt in der Regel bei etwa 40°C. Erst bei größerem Wärmeleistungsbedarf infolge entsprechend tieferer Außentempera­ turen gleitet die untere, für die Einschaltung des Brenners maßgebende Temperatur auf der unteren Kurve nach oben. Parallel verschiebt sich die obere, für die Ausschaltung des Brenners maß­ gebende Kesseltemperatur auf der oberen Kurve nach oben.

Im Vollastbereich, also bei extrem niedrigen Außentem­ peraturen und maximalem Wärmeleistungsbedarf erreicht die Tempe­ ratur auf der Heizkurve für die untere Kesseltemperatur ihre obere Grenze, so daß dann der Brenner ununterbrochen läuft. Der Vollastbetrieb ist jedoch nur an wenigen Tagen der Heizperiode notwendig, so daß überwiegend ein intermittierender Betrieb nach Maßgabe der beiden vorgegebenen Heizkurven erfolgt. Die Paralleli­ tät der beiden Heizkurven bedingt dabei, daß mit ansteigender Außentemperatur und damit mit abnehmendem Wärmebedarf die Bren­ nerlaufzeiten kürzer werden und der Brenner häufiger eingeschal­ tet wird.

Bei Niedertemperatur-Heizkesseln ist dies besonders kritisch, weil diese Heizkessel so ausgelegt sind, daß die Kes­ selwassertemperatur unter den Rauchgastaupunkt absinken kann, der je nach Brennstoff zwischen etwa 50 und 60°C liegt.

Häufige und kurzzeitige Einschaltungen des Brenners führen dann im unteren Teillastbereich zu erhöhter Kondensatbil­ dung, weil die Heizflächen-Temperaturen nur kurzfristig die Rauchgastaupunkt-Temperatur überschreiten, so daß nicht genug Kondensat verdampft und im Laufe der Betriebszeit der Kessel­ innenraum zunehmend feucht wird. Bei längerem Betrieb unter diesen Bedingungen kann dann die Feuchtigkeit bis zur Tropfenbil­ dung zunehmen, so daß dann der Kessel durch Korrosion angegriffen wird.

Eine weitere und sehr schädliche Folge eines häufigeren Anspringens des Brenners mit kurzer Laufzeit besteht darin, daß hierdurch ein erhöhter Ausstoß von Schadstoffen bewirkt wird.

Zur Vermeidung von zu kurzen Brennerlaufzeiten und häu­ figen Brennerstarts ist es bekannt, im unteren Bereich der Anla­ genbelastung eine lastabhängige variable Schaltdifferenz vorzu­ sehen. So ist in der Zeitschrift "Haustechnische Rundschau", Oktober 1981, S. 619-628, eine Regelung offenbart, bei der die Schaltdifferenz lastabhängig bei Abfall auf eine vorgegebene Be­ lastung sprunghaft auf einen konstanten Wert erhöht wird. Weiter­ hin ist aus der DE-PS 25 49 561 bekannt, die Schaltdifferenz eines Zweipunkt-Reglers in Abhängigkeit von den jeweiligen Lei­ stungsanforderungen zum unteren Leistungsbereich hin zu vergrö­ ßern. Die Vergrößerung der Schaltdifferenz soll dabei kontinuier­ lich oder stufenförmig erfolgen.

Die eben skizzierten Lösungen haben den Nachteil, daß sie die Bildung von Rauchgaskondensat nicht zuverlässig verhin­ dern, oder aber bei höheren Lasten die Verlängerung der Brenner­ laufzeit zu groß ist, so daß der Brenner noch unnötig weiter­ läuft, obwohl das Kondensat längst beseitigt ist. Überdies ist bei der Lösung gemäß der DE-PS 25 49 561 der regelungstechnische Aufwand recht hoch, da die Schaltdifferenz über den gesamten Lastbereich verändert werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Regelanordnung für Niedertemperatur-Heizkessel zu schaffen, die in dem gefährlichen Lastbereich mit geringem regelungstechnischen Aufwand die Entstehung von den Kessel angreifendem Rauchgaskon­ densat zuverlässig verhindert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein minimaler Wert der oberen Kesseltemperatur unabhängig von dem minimalen Wert der unteren Kesseltemperatur auf die Rauchgas- Taupunkttemperatur oder etwas darunter einstellbar ist.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Einführung einer ein­ stellbaren, minimalen oberen, mit der Rauchgas-Taupunkttemperatur korrespondierenden Kesseltemperatur wird gewährleistet, daß die Heizflächen des Kessels während der Brennerlaufzeiten im gefähr­ lichen Lastbereich in jedem Fall Endtemperaturen erreichen, die ausreichend über dem Rauchgas-Taupunkt liegen, so daß das beim Anlaufen des Brenners entstehende Kondensat mit Sicherheit ver­ dampft wird.

Die minimale obere Kesseltemperatur wird in Abhängig­ keit vom Taupunkt des Brennstoffs und von der Empfindlichkeit des Kessels gegen Taupunkt-Korrosion eingestellt. Dieser Wert ist somit brennstoff- und kesselspezifisch, nicht aber lastabhängig, d. h. die obere Heizkurve, bei deren Erreichen der Brenner aus­ schaltet, ist im gefährlichen Lastbereich einzig und allein vom Taupunkt des eingesetzten Brennstoffs und von der Kesselempfind­ lichkeit bestimmt. Die obere Heizkurve verläuft daher in diesem Lastbereich bei Darstellung in einem Koordinatensystem, in dem auf der Ordinate die Kesselwassertemperatur aufgetragen ist und auf der Abszisse die Anlagenbelastung, parallel zur Abszisse. Eine Lastabhängigkeit, und damit eine Steigung der oberen Heiz­ kurve, ist erst dann gegeben, wenn bei sinkenden Außentemperatu­ ren der Brenner nicht mehr im gefährlichen Lastbereich arbeitet. Darin unterscheidet sich die vorliegende Erfindung wesentlich vom Stand der Technik.

Vorzugsweise ist der minimale Wert der oberen Kessel­ temperatur durch einen Kesselwasserthermostaten einstellbar, wo­ bei ein Relais vorgesehen ist, das mit dem Brenner eingeschaltet wird, sobald die Temperatur auf die untere Kesselwassertemperatur absinkt, und das den Brenner so lange eingeschaltet hält, bis die Temperatur den Minimalwert der oberen Kesselwassertemperatur er­ reicht.

Bei der erfindungsgemäßen Regelanordnung würden im Niedertemperaturbereich infolge der größer werden Kesselschalt­ differenz die Sollwertabweichungen der Heizungsvorlauftemperatur zunehmen. Es wird jedoch ein nahezu vollkommener Ausgleich der Sollwertabweichungen erreicht, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen Kesselvorlauf und Kesselrücklauf in an sich bekannter Weise ein Bypass geschaltet ist, wobei dieser Bypass im oberen Lastbereich, in dem die untere und die obere Heizkurve parallel zueinander verlaufen, geschlossen ist, und in dem Last­ bereich, in welchem die obere Heizkurve auf eine minimale obere Kesseltemperatur festgelegt ist, umso weiter öffnet, je größer die Schaltdifferenz wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Regelanordnung für einen Niedertemperatur-Heizkes­ sel mit gleitender Kesselführung,

Fig. 2 eine schematische Regelanordnung wie in Fig. 1, jedoch mit stetiger Änderung der Schaltdifferenz im unteren Teillastbetrieb,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Schaltungsan­ ordnung zur Erzielung der stetigen Änderung der Schaltdifferenz.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Regelanordnung dient die Außentemperatur t_A als Führungsgröße. Über ein Thermoelement 1 wird die Außentemperatur gemessen und in den Regler eingegeben. Bei sonst konstanten Bedingungen ist mit der Außentemperatur t_A der Wärmeleistungsbedarf Q gegeben.

Als Regelgröße wirkt die Kessel-Vorlauftemperatur t_K, die über ein Thermoelement 2 im Heizkessel 3 vorgegeben wird. Der Kessel-Vorlauf ist über eine Pumpe 4 mit dem Heizungskreislauf 5 verbunden. Die Kessel-Vorlauftemperatur t_K ist der Sollwert, auf den bei einem vorgegebenen Wärmeleistungsbedarf Q zwischen zwei Heizkurven t_Ku und T_Ko eingeregelt wird.

Die beiden Heizkurven verlaufen parallel zueinander, wobei die untere Heizkurve t_Ku die Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner 6 jeweils einschaltet, während die obere Heiz­ kurve t_Ko eine Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils ausschaltet.

Zwischen den beiden Heizkurven t_Ku und t_Ko besteht eine Schaltdifferenz, die in der Regel einstellbar ist und in der Praxis zwischen 5-10°C gewählt wird.

Diese Schaltdifferenz ist im gesamten Lastbereich kon­ stant. Die minimale untere Kesselvorlauftemperatur ist über ein Einstellelement 7 einstellbar. Damit kann eine Anpassung an unterschiedliche Heizkessel-Konstruktionen vorgenommen werden.

Im unteren Teillast-Bereich und entsprechend kleinem Wärmeleistungsbedarf verändert sich die minimale untere Kessel­ temperatur t_Ku min nicht.

In der Regel beträgt die minimale untere Kesselvorlauf­ temperatur etwa 40°C, so daß bei höheren Außentemperaturen der Brenner bei 40°C Kesselvorlauftemperatur einschalten würde und bei einer Schaltdifferenz von 5°C bei 45°C wieder abschalten würde.

Im Vollastbereich, also bei hohem Wärmeleistungsbedarf, wird die obere Kesselvorlauftemperatur nicht mehr erreicht, d. h. der Brenner läuft bei sehr tiefen Außentemperaturen ununter­ brochen.

Der kritische Bereich bei der Regelung befindet sich im unteren Teillastbereich. Die konstante Schaltdifferenz führt hier dazu, daß der Brenner häufig anspringt und nach kurzer Zeit wieder abschaltet, weil der Sollwert der Kesselvorlauftemperatur sehr schnell erreicht wird, und da wegen der hohen Außentempera­ turen kaum ein Wärmeleistungsbedarf besteht. Als Folge davon kommt es zu verstärkter Kondensatbildung und zu einer Verschlech­ terung der Abgaswerte.

Aus Fig. 2, die die erfindungsgemäße Regelanordnung zeigt, ist ersichtlich, daß unabhängig von der Einstellung des Minimalwertes t_{Ku min} auch ein minimaler Wert t_{Ko min} durch ein zweites Einstellelement 8 eingestellt werden kann. Es ist er­ sichtlich, daß dadurch im unteren Teillastbereich ein Abschnitt bei den beiden Heizkurven entsteht, in dem die Schaltdifferenz kontinuierlich zunimmt, je mehr die Vorlauftemperatur absinkt. Dadurch springt auch gleichzeitig der Brenner 6 weniger häufig an. Vorzugsweise wird der minimale Wert der oberen Kesselvorlauf­ temperatur auf etwa den Rauchgastaupunkt eingestellt, der bei Ölbefeuerung bei etwa 50°C und bei Gasbefeuerung bei etwa 60°C liegt. Durch diese Einstellung des minimalen Wertes der oberen Kesseltemperatur wird erreicht, daß die Heizflächen der Brennkam­ mer im unteren Teillastbereich bei jedem Brennerlauf eine Tempe­ ratur von mindestens etwa 20°C über dem Rauchgastaupunkt errei­ chen. Damit ist sichergestellt, daß in jedem Fall bei der Ver­ brennung entstehendes Kondensat beseitigt wird, denn je höher die Heizflächen aufgeheizt werden, umso rascher nimmt die Verdamp­ fungsgeschwindigkeit zu.

Da die Bedingungen für die Bildung von Kondensat nach niedrigen Kesseltemperaturen hin immer günstiger werden, also bei tiefen Heizflächen-Temperaturen leichter und mehr Kondensat ent­ steht als bei höheren, muß die Laufzeit des Brenners am meisten im unteren Teillastbereich verlängert werden. Dies läßt sich mit der Einstellung des minimalen Wertes der oberen Kesseltemperatur erreichen. Bei etwas höheren Kesselvorlauftemperaturen entspre­ chend einem höheren Wärmeleistungsbedarf braucht die Schaltdiffe­ renz nur wenig vergrößert zu werden, um eine sichere Beseitigung des Kondensats zu gewährleisten. Auch dies wird durch die Ein­ stellung des minimalen Werts der oberen Kesseltemperatur er­ reicht. Damit werden im unteren Teillastbereich unnötig lange Brennerlaufzeiten vermieden, die zu einer unnötigen Anhebung der Vorlauftemperatur führen und den Wirkungsgrad verschlechtern.

Schaltungstechnisch läßt sich die erfindungsgemäße Regelanordnung auf unterschiedliche Weise durch elektromechani­ sche oder elektronische Schaltungen realisieren. Ein Ausführungs­ beispiel hierfür zeigt Fig. 3. Dort ist ein separater Kesselther­ mostat 14 vorgesehen, durch den der minimale Wert t_{Ko min} der oberen Kesseltemperatur einstellbar ist. Mit der Einstellvor­ richtung 7, wird der minimale Wert der unteren Kesseltemperatur t_{Ku min} eingestellt. Wenn die Kesseltemperatur t_Ku bzw. t_{Ku min} unterschreitet, schaltet der Brenner 6 ein. Mit dem Anspringen des Brenners 6 wird ein Relais 13 eingeschaltet, das sich dann durch einen Selbsthaltekontakt hält, so daß der Brenner einge­ schaltet bleibt, bis der Kesselthermostat T signalisiert, daß der Minimalwert der oberen Kesselwassertemperatur erreicht worden ist. Der Kesselthermostat T öffnet dann, das Relais 13 fällt ab, und der Brenner 6 wird abgeschaltet. Eine solche Regelanordnung hat den Vorteil, daß sie sich zur Nachrüstung von bereits vorhan­ denen Niedertemperatur-Regelanordnungen eignet, die eine konstan­ te Schaltdifferenz über ihren gesamten Regelbereich aufweisen.

Um die aufgrund der erfindungsgemäßen Regelanordnung im unteren Lastbereich entstehende Überhöhung der Vorlauftemperatur zu vermeiden, wird zwischen der Rücklaufleitung 9 und der Vor­ laufleitung 10 eine Kesselbypass-Leitung 11 mit einem Thermostat­ ventil 12 geschaltet. Durch diesen Bypass 11 wird kalter Rücklauf zu dem wärmeren Kesselvorlauf gemischt. Die Zumischung erfolgt dabei in der Weise, daß im kritischen Lastbereich das mit der un­ teren Kesseltemperatur korrespondierende kältere Rücklaufwasser das Thermostatventil 12 mit größer werdender Schaltdifferenz bis auf 75% Bypass-Durchfluß öffnet, und so Abweichungen vom Vorlauf- Sollwert durch Mischung von wärmerem Kesselwasser mit kaltem Rücklaufwasser ausgeglichen werden. Der Bypass 11 ist damit vor­ teilhaft nur im Niedertemperaturbereich mit erhöhten Schaltdiffe­ renzen wirksam.

Claims (3)

1. Regelanordnung für Niedertemperatur-Heizkessel, bei der die Kesseltemperatur in Abhängigkeit vom Wärmebedarf nach Maßgabe von zwei parallelen Heizkurven gleitet, von denen die eine eine untere Kesseltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils ein­ schaltet, und deren unterhalb des Rauchgas-Taupunktes liegender Minimalwert einstellbar ist, während die andere eine obere Kes­ seltemperatur vorgibt, bei der der Brenner jeweils ausschaltet, wobei im unteren Bereich der Heizkurven die Schaltdifferenz ver­ änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein minimaler Wert der oberen Kesseltemperatur unabhängig von dem minimalen Wert der un­ teren Kesseltemperatur auf die Rauchgas-Taupunkttemperatur oder etwas darunter einstellbar ist.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Wert der oberen Kesseltemperatur durch einen Kesselwasserthermostaten (14) einstellbar ist, und daß ein Relais (13) vorgesehen ist, das mit dem Brenner (6) eingeschaltet wird, sobald die Temperatur auf die untere Kesselwassertemperatur ab­ sinkt, und das den Brenner so lange eingeschaltet hält, bis die Temperatur den Minimalwert der oberen Kesselwassertemperatur er­ reicht.

3. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kesselvorlauf und Kesselrücklauf in an sich bekann­ ter Weise ein Bypass (11) geschaltet ist, wobei dieser Bypass (11) im oberen Lastbereich, in dem die untere und die obere Heiz­ kurve parallel zueinander verlaufen, geschlossen ist, und in dem Lastbereich, in welchem die obere Heizkurve auf eine minimale obere Kesseltemperatur festgelegt ist, umso weiter öffnet, je größer die Schaltdifferenz wird.