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Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Temperatur
eines Heizmediums in einer Warmwasser-Zentralheizungsanlage
während eines Heizzyklus.
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FR-A-2213707 beschreibt ein Gerät zur Steuerung der
Temperatur des Wassers in einem Warmwasser-Zentralheizungssystem,
das eine Raumheizung und Haushalt-Brauchwasser innerhalb eines
Gebäudes während eines Heizzyklus vorsieht, wenn das
Vorlaufwasser innerhalb des Systems zirkuliert, wobei das Gerät
einen mit Brennstoff befeuerten Brenner zum Vorsehen eines
Wärmeausgangs zum Erwärmen des Wassers und eine Einrichtung
zur Steuerung des Wärmeausgangs des Brenners aufweist, wobei
die Brenner-Wärmeausgangs-Steuereinrichtung abhängig ist
sowohl von der vorherrschenden Vorlaufwasser-Temperatur innerhalb
des Systems als auch von der vorherrschenden Umgebungstemperatur
außerhalb des Gebäudes, wenn für Raumheizung allein Bedarf
besteht.
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Erfindungsgemäß wird ein Gerät zur Steuerung der Temperatur
des Wassers in einem Warmwasser-Zentralheizungssystem geschaffen,
das eine Raumheizung und häusliches Brauchwasser innerhalb eines
Gebäudes während eines Heizzyklus vorsieht, wenn das
Strömungswasser innerhalb des Systems zirkuliert, wobei das
Gerät einen mit Brennstoff befeuerten Brenner zum Vorsehen
eines Wärmeausgangs zum Erwärmen des Wassers und eine Einrichtung
zur Steuerung des Wärmeausgangs des Brenners aufweist, wobei die
Brenner-Wärmeausgangs-Steuereinrichtung abhängig ist sowohl von
der vorherrschenden Strömungswasser-Temperatur innerhalb des
Systems als auch von der vorherrschenden Umgebungstemperatur
außerhalb des Gebäudes, wenn für Raumheizung allein Bedarf
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner-Wärmeausgangs-
Steuereinrichtung abhängig ist von der vorherrschenden
Umgebungstemperatur außerhalb des Gebäudes, wenn ein Bedarf
zumindest für häusliches Brauchwasser besteht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nunmehr mit
Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigen
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer typischen
Warmwasser-Zentralheizungsanlage, wobei u. a.
Komponenten dargestellt sind, die die
Wasserströmung steuern und/oder durch diese in
der Zentralheizungsanlage gesteuert werden,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung der Komponenten,
die Brennstoff- und Luftströmung steuern und/oder
durch diese gesteuert werden,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektrischen
Schaltung, die das Luftströmungs-Drosselventil
und dadurch den Wärmeausgang eines völlig
vorgemischten Brenners steuert,
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Fig. 4 eine Grafik der Beziehung zwischen VW und TWI
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Fig. 5 eine Grafik der Beziehung zwischen VOA und TOA,
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Fig. 6 eine Grafik der individuellen Einflüsse der
abgetasteten Ausgangsspannungen von VIN,
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Fig. 7 eine Grafik der Beziehung zwischen VOA und VIN
von Fig. 3,
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Fig. 8 eine Grafik der Beziehung zwischen der
Luftströmungs-A-Rate und VIN,
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Fig. 9 eine Grafik der Beziehung zwischen Brenner-
Wärmeausgang Pb und VIN,
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Fig. 10 eine schematische Ansicht der Komponenten
des Treibspannungs-Steuergerätes in Fig. 3,
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Fig. 11 einen Querschnitt durch das Luftströmungs-
Drosselventil,
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Fig. 12 einen Querschnitt durch das Gasströmungs-
Regelventil, das durch das Luftströmungs-
Drosselventil gesteuert wird,
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Fig. 13 eine schematische Darstellung der Steuerung
und der verschiedenen Komponenten, die sie steuert
und von denen sie gesteuert wird, und die
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Fig. 14A und 14B ein vereinfachtes Verfahrensschema,
das in Aufeinanderfolge die Operationen beim
Starten und Betreiben der Zentralheizungsanlage
veranschaulicht.
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Nach Fig. 1 hat die Warmwasser-Zentralheizungsanlage
einen Boiler 1 zur Lieferung von Heißwasser aus einem
Wärmetauscher 2 zu einem wasser-Vorlaufrohr 3 und zur
Entgegennahme von Rücklaufwasser über ein Wasser-Rücklaufrohr 4.
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Das erhitzte Wasser wird in der Anlage mittels einer
elektrisch betätigten Pumpe 5 gepumpt.
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Ein Abzweigrohr 6, das am einen Ende mit dem Wasser-
Vorlaufrohr 3 und am anderen Ende mit dem Rücklaufrohr 4
verbunden ist, dient dazu, erhitztes Wasser zum Erwärmen von
in einem Vorratszylinder 7 gespeichertem Wasser zu liefern,
wobei das Abzweigrohr 6 einen Heizschlangen-Abschnitt 8
innerhalb des Zylinders 7 enthält, um das gespeicherte Wasser
zu erhitzen. Gespeichertes Wasser kann aus dem Zylinder 7 nach
Bedarf für Haushaltzwecke abgezogen werden, wie schematisch
durch den Pfeil 9 dargestellt. Wenn auch nicht dargestellt,
so wird das abgezogene Wasser kontinuierlich aus einem
oberhalb des Zylinders 7 angeordneten Tank nachgefüllt.
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Raumheizungsvorrichtungen in Form von Radiatoren (nicht
dargestellt) sind so eingerichtet, daß sie Vorlaufwasser
während eines Heizzyklus empfangen, um dessen Wärme an das zu
beheizende Gebäude abzugeben und das nun kühlere Wasser an den
Boiler 1 zurückzuführen.
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Thermostate 10 bzw. 11 sind vorgesehen, um die Temperatur
des gespeicherten Wassers im Zylinder 7 und die Lufttemperatur
des Gebäudes entsprechend einer gewünschten
Raumtemperatureinstellung zu steuern.
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Ein Programmierer 12 liefert Energie, die durch einen
Schalter gesteuert wird, an die Pumpe 5 über die Thermostate 10
und 11 und kann eine Periode einstellen, während welcher der
Boiler veranlaßt werden kann, über die Thermostate 10 und 11
zu arbeiten. Der Programmierer 12 kann von dem Typ sein, der
den Betreiber in die Lage versetzt, Raumheizung und Warmwasser
unabhängig voneinander oder gleichzeitig auszuwählen. Der
Betrieb der Pumpe 5 steht unter der Kontrolle der Thermostate
10 und 11, und die Pumpe 5 wird ständig laufen, wenn der
Thermostat oder einer derselben geschlossen ist, und wird
aufhören zu laufen, wenn der ausgewählte Thermostat oder beide
Thermostate offen ist bzw. sind.
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Die Thermostate 10 und 11 steuern außerdem entsprechende
Ventile 13 und 14. Das Ventil 13 im Abzweigrohr 6 ist zur
Heizschlange 8 hin offen, wenn der Zylinder-Thermostat 10
geschlossen ist (d. h. Heißwasser verlangt wird) und ist
geschlossen, wenn der Thermostat 10 offen ist, um zu verhindern,
daß erwärmtes Wasser die Heizschlange 8 erreicht.
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In ähnlicher Weise ist das Ventil 14 im Vorlaufrohr 3 zu
den Radiatoren hin offen, wenn der Raumthermostat 11 geschlossen
ist (d. h. Raumaufheizung verlangt wird), und ist geschlossen,
wenn der Thermostat 11 offen ist, um zu verhindern, daß
erwärmtes Wasser die Radiatoren erreicht. Wenn auch nicht
dargestellt, können die Radiatoren individuell mit
Thermostatventilen ausgestattet sein, die auf die Temperatur
des betreffenden Raumes ansprechen, in dem sich der Radiator
befindet.
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Soweit beschrieben ist das System bzw. die Anlage von
herkömmlicher Bauart und wird von einer Person, die sich in
dieser Technik auskennt, ohne weiteres verstanden.
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Die Anlage besitzt jedoch außerdem einen Vorlaufwasser-
Temperaturfühler 15, der innerhalb eines Abschnittes des
Vorlaufrohres 3 innerhalb des Boilers 1 sitzt. Dieser Fühler 15
liefert einen kontinuierlichen elektrischen Ausgang, dessen
Pegel zur vorherrschenden abgetasteten Vorlaufwasser-
Temperatur in Beziehung steht.
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In ähnlicher Weise besitzt die Anlage auch einen Außenluft-
Temperaturfühler 16, der an einer Stelle außerhalb des Gebäudes
sitzt (z. B. an einer Außenwand). Dieser Fühler 16 liefert einen
ständigen elektrischen Ausgang, dessen Pegel zur vorherrschenden
abgetasteten Außenluft-Temperatur in Beziehung steht.
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Dieser Fühler und deren Bedeutung werden nachfolgend
im einzelnen beschrieben.
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Die Anlage weist außerdem innerhalb des Boilers 1 ein
sogenanntes Luftströmungs-Drosselventil 17 zum Drosseln oder
Steuern der Luft, die zu Verbrennungszwecken einem völlig
vorgemischten Brenner zugeführt wird. Dieses Ventil 17 und
seine Bedeutung werden ebenfalls nachfolgend im einzelnen
beschrieben.
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Das Rücklaufrohr 4 ist außerdem mit einer Bohrungs-
Einschnürung 18 an einer Stelle innerhalb des Boilers 1
versehen, um einen Differenzdruck zwischen den
entgegengesetzten Seiten der Einschnürung 18 vorzusehen,
wenn die Pumpe 5 Wasser im Kreislauf umpumpt. Anzapfungen
19 und 20 auf jeder Seite der Einschnürung dienen dazu,
die jeweiligen Drücke auf jeder Seite der Einschnürung 18
zum Luftströmungs-Drosselventil 17 hin abzuzapfen, und zwar
für Zwecke, die ebenfalls nachfolgend im einzelnen zu
beschreiben sind.
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Nach Fig. 2, in der Teile, die mit den in Fig. 1
dargestellten identisch sind, die gleichen Bezugszeichen
tragen, enthält der Boiler 1 einen Brenner 21 des
Vormisch-Typs, d. h. einen solchen, bei dem Brennstoff (in
diesem Fall Erdgas) und Luft in einer Kammer 22 miteinander
vor der Verbrennung gemischt werden. Derartige Brenner sind
allgemein bekannt und werden hier nicht im einzelnen beschrieben.
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Luft zum Vermischen mit dem Gas in der Kammer 22 wird
durch ein Gebläse 23, vorzugsweise vom Toroidal- bzw.
Seitenkanaltyp, zugeführt, das seine Luft von einer Stelle
innerhalb des Boilergehäuses abzieht. Die Luft wird an das
Luftströmungs-Drosselventil 17 geliefert und wird durch einen
Luftdruckschalter 24 überwacht, der als Sicherheitsvorrichtung
dient und nachfolgend beschrieben wird.
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Gas für den Brenner 21 wird von einem Gaszähler 25 zu
einem Gasströmungs-Drosselventil 26 geliefert. Vor Erreichen
des Ventils 26 passiert das Gas einen Gasdruckwächter 27,
der dazu dient, den Gaszufuhrdruck zum Ventil 26 konstantzuhalten,
und ein Gas-Magnetventil 28 des einfachen AUF/ZU-Typs.
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Das Gasströmungs-Drosselventil 26 wird durch das
Luftströmungs-Drosselventil 17 über Abzapfungen 29, 30 zwischen
den Ventilen 17 und 26 gesteuert. Auch diese Steuerung wird
nachfolgend im einzelnen beschrieben.
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Der Boiler 1 enthält auch eine herkömmliche Funken-
Zündvorrichtung 31 zum Zünden des Gas-Luft-Gemisches, das
den Brenner 21 verläßt, und eine herkömmliche Flammen-
Abtastvorrichtung 32, die als Sicherheitsvorrichtung dient,
sollte aus irgendeinem Grund die Brennerflamme gelöscht werden,
während das Gas strömt. Der Boiler 1 enthält auch eine
elektronische Steuerung 33, die nachfolgend noch im einzelnen
beschrieben wird.
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Mit Bezug auf Fig. 3 erzeugt jeder der Temperaturfühler
15 und 16 entsprechende Spannungsausgänge VW und VOA in
Abhängigkeit von der jeweiligen Vorlaufwasser- und Außenluft-
Temperatur TW und TOA.
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VW ändert sich mit TW in einer Weise, wie in Fig. 4
dargestellt, während sich VOA mit TOA in der in Fig. 5
dargestellten Weise ändert.
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Die Spannungen VW und VOA werden dem Differentialverstärker
34 zugeführt, wobei VW an den invertierenden Eingang desselben
angelegt wird, und die Spannungen werden kombiniert, um ein
zusammengesetztes Ausgangssignal VIN zu erzeugen.
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Die Beziehung zwischen VIN und VW und VOA kann durch die
Gleichung definiert werden:
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Dabei repräsentieren δVIN, δVW und δVOA unendlich
kleine Änderungen der jeweiligen Werte von VIN, VW und VOA,
und δ(VIN), δVW und δVOA repräsentieren die partielle Rate
der Änderung von VIN, VW und VOA.
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Ein Schalter 35 ist zwischen den Fühler 16 und den
Verstärker 34 geschaltet und ist offen (bei Stellung C), wenn
der Programmierer für die Lieferung von Heißwasser (und
wahlweise Raumheizung) eingestellt ist und die Temperatur des
Zylinderwassers unterhalb eines voreingestellten Pegels liegt.
Wenn die Zylinderwasser-Temperatur an oder über diesem
Temperaturpegel liegt, schließt der Schalter 35 (bei Stellung H).
Wenn der Schalter 35 geöffnet ist, so wird VIN nur durch VW
beeinflußt, da kein VOA den Verstärker 34 erreichen kann.
Wenn auch nicht besonders dargestellt, so versteht es sich
doch, daß, wenn der Programmierer 12 nur auf Raumheizung
eingestellt ist, der Schalter 35 veranlaßt wird, sich in
Stellung H zu bewegen.
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Das Signal VIN wird einem Treibspannungs-Steuergerät 36
zugeführt, welches VIN verarbeitet, um eine Ausgangsspannung
VOUT zu erzeugen. VOUT wird durch einen Pufferverstärker bzw.
eine Trennstufe 37 verstärkt, um einen Heizstrom-Regler 38
zu steuern, damit dieser Strom an ein Bimetall-Heizelement
39 liefert, das ein integriertes Teil des Luftströmungs-
Drosselventils 17 ist. Das Bimetall-Heizelement 39 dient dazu,
das öffnen und Schließen des Ventils 17 zu regulieren, wie
nachfolgend noch beschrieben wird. Da das Luft-Regulatorventil
17 das Gasströmungs-Drosselventil 26 (Fig. 2) steuert (d. h.
die Zufuhrrate von Luft steuert die Zufuhrrate von Brennstoff),
so folgt daraus, daß VOUT den Wärmeausgang des Brenners 21
steuert.
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Das Treibspannungs-Steuergerät 36 dient dazu, VOUT in
Abhängigkeit von VIN in der in Fig. 7 dargestellten Weise
zu steuern. Es ist ersichtlich, daß, wo VIN unterhalb eines
bestimmten Grenzwert-Pegels bleibt, VOUT auf einem Maximalpegel
gehalten wird. Wenn jedoch VIN ihren Grenzwertpegel VOUT
überschreitet, dann fällt VOUT auf einen Pegel ab, der unter
dem Maximum liegt und schließlich Null erreicht bei einem
Maximalwert von VIN
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Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Luftströmungsrate A
durch das Luftströmungs-Drosselventil 17 hindurch einer
ähnlichen Beziehung folgt, obwohl hier bei VIN maximal A eher
ein Minimum als einen Nullwert erreicht. Folgerichtig folgt
der Wärmeausgang PB vom Brenner einer Beziehung mit VIN
(Fig. 9), die ähnlich der in Fig. 8 für A gegen VIN gezeigten
ist. Hier wiederum erreicht PBeher ein Minimum als einen
Nullwert bei VIN maximal.
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Das Treibspannungs-Steuergerät 36 ist im einzelnen in
Fig. 10 dargestellt. Es weist einen Analog/Digital-Converter
(ADC) 40 zum Empfangen der analogen Eingangsspannung VIN, ein
READ-ONLY-MEMORY (ROM) 41 oder Gleichwertiges, das mit dem
ADC 40 verbunden ist, und einen Digital/Analog-Converter
(DAC) 42 auf, der mit dem ROM 41 zum Erzeugen der Analog-
Ausgangsspannung VOUT verbunden ist.
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ADC 40 erzeugt eine 8-Bit-Binär-Adressen-Nummer proportional
dem tatsächlichen Wert von VIN, und das ROM 41 wird erreicht
unter der zugehörigen Adresse. Unter der erreichten Adresse
wird ein 8-Bit-Binärcode angetroffen, der der Spannung VOUT,
zugehörig zur Einspannungsspannung VIN, entspricht, wie in
Fig. 7 angegeben. DAC 42 gibt diesen Code als das Spannungs-
Analog VOUT heraus. In anderen Worten: ROM 41 liefert eine
sogenannte "Sicht"-Tabelle für Werte von VIN gegen VOUT.
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Durch Steuerung des Wärmeausgangs des Brenners in dieser
Weise ist es möglich, die Temperatur des Vorlaufwassers, das
den Boiler verläßt, und somit die Rücklaufwasser-Temperatur
entsprechend den Änderungen der Außenluft-Temperatur zu steuern.
Dies hat große Vorteile, wenn der Boiler vom Kondensierungstyp
ist, da solche Boiler am wirkungsvollsten arbeiten, wenn das
Rücklaufwasser so niedrig wie möglich ist, um eine größere
Kondensation zu begünstigen, wobei die Kondensation mit
abnehmender Rücklaufwasser-Temperatur zunimmt. Mit einer
solchen Steuerung ist es möglich, die Rücklaufwasser-Temperatur
auf einen gezielten Minimumwert zu reduzieren, der ausreicht,
um Raumheizungs-Anforderungen zu befriedigen, und dennoch die
Möglichkeit bietet, daß die Betriebsperiode, während welcher
der Boiler in der Kondensierungs-Betriebsweise arbeitet,
ausgedehnt wird.
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In der Tabelle sind einige typische Werte für die
Vor lauf- und Rücklaufwasser-Temperaturen einer Anlage mit einer
konstanten Massen-Wasserströmungsrate und bei Einstellung
des Raumtemperatur-Thermostaten auf 22ºC aufgezeigt. Die
Radiatoren sind so bemessen, daß ein Temperaturgefälle
von 20º zwischen der Vorlaufseite und der Rücklaufseite
der Radiator-Baugruppe vorgesehen ist, und die Wasservorlauf-
und Rücklauftemperaturen sind jeweils 80ºC und 60ºC bei einer
Außenluft-Temperatur bei -1ºC, die Mindest-Außentemperatur,
für die die Anlage ausgelegt ist.
TABELLE 1
Außenluft-Temperatur Gebäude-Heizbedarf % vom Maximum Vorlauf-Temperatur Rücklauf-Temperatur
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Bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis von annähernd 1,2
beginnt die Kondensation, wenn die Rücklaufwasser-
Eintrittstemperatur zum Boiler bei oder unter etwa 53ºC liegt.
Es ist daher ersichtlich, daß bei einem Boiler vom
Kondensierungstyp, der dieses Steuersystem enthält, die
Kondensation über einen weiten Bereich von Außenluft-
Temperaturen (bei Außentemperaturen oberhalb annähernd 3,5ºC)
bei einer gegebenen Innentemperatur (22ºC), eingestellt durch
den Raumthermostaten 11, stattfinden wird.
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Nach Fig. 11 hat das Luftströmungs-Drosselventil 17
eine erste Kammer 50 mit einem Einlaß 51 zur Aufnahme von
Luft aus dem Gebläse 23 (in Fig. 2 dargestellt), eine zweite
Kammer 52, mit der die erste Kammer 50 über eine Öffnung 53
in Verbindung steht, und eine dritte Kammer 54, die mit der
zweiten Kammer 52 über eine Öffnung 55 verbunden ist, wobei
die dritte Kammer 54 einen Auslaß 56 für das Ausbringen der
Luft nach einer Mischkammer eines Brenners aufweist.
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Die Kammern 52 und 54 sind von einer vierten Kammer 57 mittels
einer Membran- und Federbaugruppe 58 getrennt, die nach unten
federnd vorgespannt ist, so daß eine zentrale untere Platte 59
in der Membran-Feder-Baugruppe 58 vorgespannt ist, um die
Öffnung 55 zu schließen.
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Die Kammer 57 steht mit einer fünften Kammer 60 über eine
Öffnung 61 in Verbindung und ist außerdem mit der ersten
Kammer 50 mittels einer Abzapf-Aussparung 62 verbunden.
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Die fünfte Kammer 60 steht mit einer sechsten Kammer 63
über eine Öffnung 64 in Verbindung, und die sechste Kammer 63
ist mit einer siebten Kammer 65 mittels einer Öffnung 66 und
einer achten Kammer 67 mittels einer Abzapf-Aussparung 68
verbunden. Die Kammer 65 steht auch mit der Kammer 67 mittels
einer Öffnung 69 in Verbindung, und die Kammer 67 ist auch mit
einer Luftauslaßführung 70 mittels einer Abzapf-Aussparung 71
verbunden.
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Die erste Kammer 50 ist mit einem Ventilkegel 72 versehen,
der nach unten mittels einer Membran-Feder-Baugruppe 73 federnd
vorgespannt ist, so daß unter normalen Umständen das untere Ende
74 der Führung 70 offen ist, um mit der Öffnung 69 und der
Aussparung 68 verbunden zu sein. In der Nähe der Membran-Feder-
Baugruppe 73 befindet sich ein poröser Stopfen 75, der es
gestattet, daß eine Abzapf-Zufuhr der in die Kammer 50
eintretenden Luft auch in die Kammer 57 gelangt (über die
Aussparung 62).
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Wenn folglich Luft in die Kammer 50 eintritt, dann gelangt
der überwiegende Teil in die Kammer 52, während ein viel
kleinerer Rest-Abzapfteil in die Kammer 57 gelangt. Geht man
davon aus, daß die Abzapfluft in der Lage ist, in die Führung
70 zu gelangen (und das Ventil zu verlassen), so existiert
ein Differenzdruck an der Membran-Feder-Baugruppe 58, der das
Bestreben haben wird, die Baugruppe 58 anzuheben, so daß die
Platte 59 die Öffnung 55 freigibt, um der Hauptzufuhr von
Luft die Möglichkeit zu geben, das Ventil über die Kammer 54
und den Auslaß 56 zu verlassen.
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Die Kammern 52 und 57 enthalten entsprechende Abzweiglöcher
76 und 77 für Zwecke, die nachfolgend mit Bezug auf das in
Fig. 12 dargestellte Gasventil zu beschreiben sind.
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Über der Kammer 60 befindet sich eine neunte Kammer 78,
die von der Kammer 60 durch eine Platte 79 getrennt ist, wobei
durch eine zentrale Aussparung innerhalb derselben hindurch
der Stößel 80 eines Ventilkegels 81 aufgenommen wird. Der
Kegel 81 ist nach unten durch eine Membran-Feder-Baugruppe
82 vorgespannt, so daß in Ruhestellung eine Ventilplatte 83
am Kegel 81 die Öffnung 61, die zur Kammer 57 führt, schließt.
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Über der Kammer 78 befindet sich eine zehnte Kammer 84, die
gegenüber der Kammer 78 mittels einer Membran 85 geschlossen ist,
die mit dem Stößel 80 des Kegels 81 verbunden ist. Die Membran
85 ist ebenfalls nach unten durch die Baugruppe 82 vorgespannt.
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Die Kammern 78 und 84 sind je mit entsprechenden Anschluß-
Gewindelöchern 86 und 87 versehen, die als Einlässe für die
Wasserrohre 20 und 19 nach Fig. 1 dienen, mit denen die
Gewindelöcher 86 und 87 verbunden sind. Wie zuvor mit Bezug
auf Fig. 1 erwähnt, wird, wenn Wasser im Rücklaufrohr 4 im
Zentralheizungskreislauffließt, ein Differenzdruck zwischen
den beiden Seiten der Einschnürung 18 aufgebaut, wobei W+ die
Hochdruckseite (angezapft durch das Rohr 20) repräsentiert und
W- die Niederdruckseite (angezapft durch das Rohr 19)
repräsentiert. Wenn die Drücke auf jeder Seite der Membran 85
angelegt werden, dann reicht der Differenzdruck aus, um die
Membran 85 nach oben entgegen der innewohnenden Vorspannung
zu biegen und den Ventilstößel 81 zu veranlassen, sich nach
oben zu bewegen, so daß die Platte 83 die Öffnung 61 freigibt.
Diese Aufwärtsbewegung nimmt in dem Maße zu, wie der
Differenzdruck zunimmt, d. h. sobald oder wenn die Wasser-
Strömungsrate durch die Anlage hindurch zunimmt. Wenn die
Platte 83 sich nach oben bewegt, um einen größeren Fluß von
Ablaßluft aus den Kammern 57 bis 60 über die Öffnung 61
vorzusehen, nimmt der Differenzdruck zwischen den einander
gegenüberliegenden Kammern 52 und 57 zu, und die Platte 59
hebt sich, um einen größeren Fluß von Verbrennungsluft aus der
Kammer 52 zur Ausstoßöffnung 56 (und von dort zur Mischkammer
des Brenners) vorzusehen. Mit anderen Worten: Die
Strömungsrate von Verbrennungsluft wird teilweise durch die
Strömungsrate von Wasser in der in Fig. 1 dargestellten Anlage
gesteuert.
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In der Kammer 65 befindet sich ein Bimetall-Heizelement 39
mit einem bimetallischen Streifen 88 aus zwei ungleichen
Metallen, die wie ein C-förmiger Bauteil mit oberen und
unteren Abschnitten 89 und 90 angeordnet sind. Der obere
Abschnitt 89 erstreckt sich durch ein kleines Keramikrohr 91
hindurch (im Schnitt gezeichnet), das durch eine Wicklung 92
beheizt wird, die mit Strom von zwei elektrischen Anschlüssen
her beliefert wird. Eine Ventilplatte 94 ist am untersten
Abschnitt 90 der C-Form befestigt und dient dazu, die Öffnung
66 zu schließen. Der oberste Abschnitt 89 des Elementes 88 ist
an einer Montageplatte 95 durch einen Niet 96 befestigt. Ein
unterster Teil 99 der Feder 97 steht mit dem untersten Abschnitt
90 des Bimetallstreifens in Wirkverbindung. Die Feder 97 übt
eine nach unten gerichtete Vorspannung auf den Ventilbauteil 94
aus, damit dieser die Öffnung 66 schließt. Die den Streifen 88
bildenden Metalle sind so ausgewählt, und der Streifen selbst ist
so dimensioniert, daß beim Aufheizen die C-Form sich
zusammenkräuselt und die Ventilplatte 94 entgegen der Abwärts-
Vorspannung infolge der Feder 97 angehoben wird. Der Streifen 88
wird natürlich durch das Rohr 91 beheizt.
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Die elektrischen Anschlüsse bzw. Klemmen 93 sind mit
dem Heizstromregulator 38 verbunden, der schematisch in
Fig. 3 dargestellt ist.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß der durch den Regulator
38 gelieferte Strom proportional dem tatsächlichen Pegel von
VOUT ist. Somit steuert effektiv der Pegel von VOUT das Ausmaß,
bis zu welchem die Ventilplatte 94 gegen die Federvorspannung
angehoben wird, und daher das Ausmaß, bis zu welchem die
Öffnung 66 geöffnet wird. Das Ausmaß, bis zu welchem die
Öffnung 66 offen ist, steuert normalerweise die Menge der
Ablaßluft, die in der Lage ist, durch das und aus dem Ventil
17 zu strömen (über die Kammer 50, den Stopfen 75, die
Aussparung 62, die Kammer 57, die Öffnung 61, die Kammer 60,
die Öffnung 64, die Kammer 63, die Öffnung 66, die Kammer 65,
die Öffnung 69, die Kammer 67, die Öffnung 74 und die Führung 70).
Die Rate, mit welcher die Restluft durch das Ventil 17 selbst
strömen kann, steuert den Differenzdruck an der Baugruppe 58
und daher die Strömungsrate der Verbrennungsluft durch das
Ventil 17 hindurch (über die Öffnung 56). Daher ergibt das
bimetallische Heizelement 39 die Möglichkeit, daß der Pegel
von VOUT eine teilweise Steuerung der Rate vorsieht, mit welcher
Luft zur Verbrennung zur Verfügung steht.
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Es wird nachfolgend beschrieben, wie die Rate, mit welcher
Luft für die Verbrennung geliefert wird, außerdem die Rate
steuert, mit welcher Brennstoff zugeführt wird. Die Rate der
Brennstoff zufuhr steuert natürlich den Wärmeausgang des
Brenners, und daher steuert VOUT den Brenner-Wärmeausgang,
wie vorher erwähnt und beschrieben.
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Wenn die Pumpe 5 nach Fig. 1 ausgeschaltet ist und kein
Wasser im Kreislauf fließt, besteht kein Differenzdruck
zwischen den Leitungen 19 und 20 in Fig. 1. Folglich wird die
Platte 83 in diesem Stadium in eine Stellung vorgespannt, in
der sie die Öffnung 61 schließt. Es besteht daher kein offener
Weg durch das Ventil 17 hindurch für die Ablaß-Luftströmung'
um die Auslaßführung 70 zu erreichen. Daher werden die Drücke
auf beiden Seiten der Baugruppe 58 gleich sein, und folglich
wird die Platte 59 in eine Stellung vorgespannt werden, in der
sie die Öffnung 55 schließt, so daß keine Luft die Brenner-
Mischkammer über die Auslaßöffnung 56 erreichen kann. Sobald
jedoch die Pumpe 5 läuft, wird das im Kreislauf fließende
Wasser einen Differenzdruck zwischen den Leitungen 19 und 20
in Fig. 1 entstehen lassen, und dieser Differenzdruck wird an
die Baugruppe 85 angelegt, und wenn er ausreicht, dann wird
er diese anheben, so daß die Ventilplatte 83 die Öffnung 61
aufmacht.
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In der Kammer 84 befindet sich ein Betätigungsschalter A,
der geöffnet ist, wenn die Platte 83 die Öffnung 61 geschlossen
hat. Der Schalter A wird geschlossen durch den Stößel des
Ventils 81, sobald der Stößel etwas durch die Aufwärtsbewegung
der Baugruppe 85 angehoben wird. Wie nachfolgend erläutert,
führt das Schließen des Schalters A dazu, daß das Gebläse 23
in Fig. 2 eingeschaltet wird, um Luft nach dem Luft-
Drosselventil 17 über die Einlaßöffnung 51 zu liefern.
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Der Differenzdruck an der Baugruppe 85 steuert außerdem
die allgemeine Stellung der Ventilplatte 83 mit Bezug auf die
Öffnung 61, so daß unter sonst gleichen Bedingungen die Rate,
mit welcher die Ablaßluft zur Auslaßführung 70 geliefert wird,
durch die Rate, mit welcher Wasser im Kreislauf fließt,
gesteuert wird. Folglich wird die Rate, mit welcher
Verbrennungsluft A+ der Brenner-Mischkammer zugeführt wird,
ebenfalls durch die Massenströmungsrate des Wassers gesteuert,
und als Folge davon eröffnet das Ventil 17 die Möglichkeit,
daß der Brenner-Wärmeausgang durch die Massenströmungsrate des
im Kreislauf umlaufenden Wassers gesteuert wird (wie auch
durch VOUT).
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In der Kammer 57 befindet sich ein weiterer
Betätigungsschalter 24, der geöffnet ist, wenn die Ventilplatte
59 die Öffnung 55 schließt. Sobald das Gebläse jedoch läuft
und Ablaßluft verfügbar ist, um einen Differenzdruck an der
Baugruppe 58 zu erzeugen, wird sich die Ventilplatte 59
anheben, und dadurch wird der Schalter 24 geschlossen infolge
der Betätigung durch eine oberste Ventilplatte 100. Das
Schließen des Schalters 24 bringt das Gas-Magnetventil 28
(Fig. 2) zum Öffnen, um Gas die Möglichkeit zu geben, in das
Gasströmungs-Drosselventil 26 zur Steuerung durch das
Luftströmungs-Drosselventil 17 zu gelangen.
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Solange der Differenzdruck an der Baugruppe 73 einen
vorbestimmten Wert nicht überschreitet, wird die Strömung
von Verbrennungsluft durch die Baugruppe 85 entsprechend
der Wasser-Massenströmungsrate und durch das Bimetall-
Heizelement 39 entsprechend VOUT (selbst entsprechend VW
und, wenn vorhanden, VOA) gesteuert.
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Wenn jedoch der Differenzdruck an der Baugruppe 73 einen
bestimmten Wert überschreitet, vielleicht infolge einer
Blockierung stromaufwärts der Öffnung 51 oder stromabwärts der
Öffnung 56, so wird die Baugruppe 73 nach oben gedrückt, so daß
der Ventilkegel 72 sich in Richtung auf die Öffnung 74 bewegt,
um diese zu schließen unter sonst gleichen Bedingungen wird
dies die Ablaßluft-Strömungsrate durch das Ventil 17 hindurch
und somit den Differenzdruck an der Baugruppe 58 reduzieren,
die die Ventilplatte 59 in die Geschlossenstellung drückt.
Wenn schließlich der Differenzdruck einen kritischen oberen
Maximalwert erreicht, wird das Ventil 72 die Öffnung 74
vollständig schließen, so daß die Ablaßluft-Strömungsrate bis
auf die durch die Ablaßaussparung 71 in der Führung 70 erlaubte
Sickerrate reduziert wird.
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Dies bringt den Differenzdruck an der Baugruppe 58 dazu,
auf einen so niedrigen Wert abzufallen, daß die Ventilplatte 100
genügend fällt, um den Schalter 24 in seine Offenstellung zu
bringen. Folglich wird das Gas-Magnetventil 28 (Fig. 2)
schließen, um zu verhindern, daß Gas in die Brenner-Mischkammer
22 gelangt, und jede Flamme wird als Sicherheitsvorkehrung
sofort gelöscht.
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Nach Fig. 12 hat das Gasströmungs-Drosselventil 26 einen
äußeren Körper in zwei Abschnitten 110 und 111, die mit
Ringflanschen 112 und 113 versehen sind, so daß sie
zusammengeschraubt werden können, um dazwischen einen
Raum zu bilden.
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In dem Raum befindet sich ein Ventilbauteil 114, der
mittels einer Feder 115 nach oben vorgespannt ist, die auf
ein Bodenteilstück 116 des Ventilbauteils 114 einwirkt und
zwischen dem Bodenteilstück 116 und einem Haltestopfen 117
gehalten ist, der in ein mittiges, nach unten ragendes
Gewindeteilstück 118 des Abschnitts 111 eingeschraubt ist.
Die Aussparung im Teilstück 118 ist durch eine Platte 119
geschlossen.
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Der Ventilbauteil 114 hat ein oberes Teilstück 120, das
einen oberen kegelstumpfförmigen Abschnitt 121 aufweist, der
sich von einem unteren zylindrischen Abschnitt 122 aus
erstreckt. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 121 des
Ventilbauteils 114 ist relativ zu einem entsprechenden
kegelstumpfförmigen Abschnitt 123 am oberen Körperabschnitt
110 beweglich und bildet dazwischen einen Spalt 124 von
veränderlichen Abmessungen für die Strömung von Brenngas
von einem Einlaß 125 am oberen Ende des Ventils 26 zu einem
Auslaß 126 im Abschnitt 110.
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Eine federnd-nachgiebige Ringmembran 127 trennt die beiden
Abschnitte 110 und 111 und bildet mit dem oberen Abschnitt 110
eine Ringkammer 128, um Luft von der Abzweigung 76 (Fig. 11)
über einen Einlaß 129 im Körperteilstück 110 zu empfangen.
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In ähnlicher Weise bildet die Membran 127 eine Ringkammer 130
mit dem unteren Abschnitt 111, um Luft von der Anzapfung 77
(Fig. 11) über einen Einlaß 131 im Körperteilstück 111 zu
empfangen. Das zylindrische Teilstück 122 des Ventilbauteils 114
wird in einem Haltebecher 132 gehalten, dessen Stellung relativ
zu einem Teilstück 133 des Ventilkörpers 110 einstellbar ist,
wobei in diesem Teilstück 133 der Becher 132 sitzt. Das
zylindrische Teilstück 122 des Ventilbauteils 114 ist außerdem
mit dem Haltebecher 132 mittels eines elastischen
Verbindungsstücks 134 verbunden und sitzt auf einem Flansch 135
am Bodenteilstück 116 des Ventilbauteils 114.
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Die Aufwärtsbewegung des Ventilbauteils 114 wird begrenzt
durch dessen Wirkverbindung zwischen dem zylindrischen
Teilstück 122 und dem Becher 132 (wie in Fig. 12 dargestellt).
Ein Schraubenkopf 136 ist mit Außengewinde versehen für den
Eingriff in ein entsprechendes Gewinde an der Innenwand des
Ventilkörpers 110. Der Schraubenkopf 136 hat außerdem eine
Anzahl von durchgehenden Kanälen 138, damit in den Einlaß 125
eintretendes Gas in den Spalt 124 gelangen kann. Der Schaft 139
der Schraube 137 erstreckt sich in ein ausgespartes Teilstück
140 des Ventilkörpers 110. Die Stellung der Schraube innerhalb
des Körpers 110 kann eingestellt werden, um die Gasströmung
durch das Ventil 17 hindurch zu regeln.
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Wenn Luft durch das Luftströmungs-Drosselventil 17 strömt,
wird ein Differenzdruck an der Membran 127 durch die Luft
angelegt, die in die betreffenden Kammern 128 und 130 gelangt.
Dadurch biegt sich die Membran nach unten entgegen der durch
die Feder 115 ausgeübten Aufwärts-Vorspannung, und der
Ventilbauteil 114 bewegt sich ebenfalls nach unten, um den
Spalt 124 zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 121 des
Ventilbauteils 114 und dem entsprechenden Abschnitt 123 des
Ventilkörpers 110 zu vergrößern, so daß die Strömungsrate des
Gases durch das Ventil 26 hindurch zunimmt. Die Strömung des
Gases durch das Ventil 26 hindurch kann daher durch den
Differenzdruck an der Membran 127 gesteuert werden.
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Um den Betrieb des kompletten Steuersystems zu
verstehen, sollte nunmehr auf die Fig. 13, 14A und 14B
Bezug genommen werden.
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Wenn ein Bedarfan heißem Wasser im Kreislauf besteht
(d. h. der Programmierer ist für die Lieferung von Heißwasser
und/oder Raumheizung eingestellt, und zumindest einer der
Thermostate ist geschlossen), so wird die Wasserpumpe 5 (Fig. 1)
starten, um Wasser im Kreislauf umzupumpen. Der durch diese
Wasserströmung verursachte Differenzdruck wird, wenn
ausreichend, den auf Wasserströmung ansprechenden Schalter A
veranlassen zu schließen und ein Signal an die elektronische
Steuerung 33 zu senden. Die Steuerung 33 wird dann ein
Steuersignal aussenden, um das Gebläse 23 einzuschalten.
Nach einer voreingestellten Zeitdauer wird die Steuerung 33
die Zündvorrichtung 31 aktivieren, um Funken für Zündzwecke
zu erzeugen, und die Luftströmung wird einen Differenzdruck
hervorrufen, der, wenn ausreichend, den Luftdruckschalter 24
schließen wird. Dadurch wird ein weiteres Steuersignal an die
Steuerung übermittelt. Die Steuerung 33 wird dann ein Signal
aussenden, um das Gas-Magnetventil 28 zu öffnen, und eine
Flamme resultiert daraus.
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Nachdem die Flamme aufgebaut worden ist, wird die
Strömungsrate der Luft durch das Luftströmungs-Drosselventil 17
hindurch durch die Rate gesteuert, mit welcher Wasser im
Kreislauffließt (mittels der Wasserströmungsraten-
Detektorkammern 78, 84 im Ventil 17), und durch VOUT (mittels
des Bimetall-Heizelementes 39 im Ventil 17).
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Die elektronische Steuerung 33 enthält den
Differentialverstärker 34, die Treibspannungs-Steuervorrichtung
36 und den Pufferverstärker bzw. die Trennstufe 37 nach Fig. 3,
und bei Empfang des Signals VW vom Wasservorlauf-
Temperaturfühler 15 und falls ein Eingang VOA vom Außenluft-
Temperaturfühler 16 vorliegt, erzeugt die Steuerung den
entsprechenden Pegel von VOUT, der zusammen mit der
Wasserströmungsrate den Brenner-Wärmeausgang steuert. Wenn
der Thermostat oder beide Thermostate öffnen, wird die Pumpe 5
ihren Betrieb stoppen, der auf Wasserströmung ansprechende
Schalter A wird öffnen, und die Steuerung 33 wird ein Signal
aussenden, um das Gas-Magnetventil 28 und das Gebläse 23
abzuschalten. Die Luftströmungsrate wird auf Null abfallen,
der Luftdruckschalter 24 wird dadurch öffnen, und die
Steuerung 33 erwartet ein weiteres Arbeiten der Pumpe, wenn
der Thermostat oder einer der Thermostate wieder schließt.
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Sollte die Brennerflamme aus irgendeinem Grund gelöscht
werden (z. B. die Flamme wird ausgeblasen), dann sendet die
Flammen-Abtastvorrichtung 32 ein Signal an die Steuerung 33,
um das Gas-Magnetventil 28 abzuschalten.
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Wie vorher beschrieben, wird die Luftströmungsrate durch
das Ventil 17 hindurch durch den Pegel der Spannung VOUT
(über das Bimetall-Heizelement 39 angelegt) und durch den
Differenzdruck, der sich aus der an der Membran 85 angelegten
Wasserströmung ergibt, gesteuert. Es wäre jedoch möglich,
das System so umzubauen, daß die Wasserströmungsrate als
Spannungs-Analogie, etwa VWFR, reproduziert wird, und diese
könnte dazu verwendet werden, den Betrieb des Heizelementes
39 zu steuern. In diesem Fall könnte VW aus einer Zusammensetzung
von VWTS (Spannungsausgang des Wasser-Temperaturfühlers 15)
und VWFR bestehen.
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Dadurch könnte die Konstruktion des Ventils 17 vereinfacht
werden. Die Baugruppe 82 könnte entfallen, die Öffnungen 60 und
64 würden geschlossen, und eine neue Öffnung würde eingeführt,
damit die Kammer 57 direkt mit der Kammer 63 in Verbindung
treten kann.
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Der Stopfen 80 könnte so angeordnet werden, daß er einen
Schieber entlang einem Potentiometer antreibt, wobei die
Stellung des Schiebers den Wert einer angezapften bzw.
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abgegriffenen Spannung bestimmt, die VWFR repräsentiert.
VWFR könnte beispielsweise an den Verstärker 34 in Fig. 3
übermittelt werden, um ein zusammengesetztes Signal VW aus
VWFR und VWTS vorzusehen.
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Sollte mit Bezug auf Fig. 4 die Gefahr eines Boilerwasser-
Einfrierens bestehen, weil z. B. der Boiler außer Haus
angeordnet ist, so wird die Spannung VW ansteigen auf eine
Spannung VW** entsprechend einer niedrigen Temperatur TW**.
Bei dieser Spannung VW** wird die elektronische Steuerung in
die Lage versetzt, den Brenner zu zünden, selbst bei Fehlen
einer Strömung von Wasser durch den Boiler hindurch (und durch
das zugehörige Rohrwerk hindurch). Der Brenner wird dann arbeiten,
bis die Spannung auf einen Wert von VW* abfällt, die einer
vorbestimmten Temperatur TW* entspricht, die höher liegt als
die Temperatur TW**. An diesem Punkt wird der Brenner dann
abgeschaltet. Sollte die Spannung VW* wieder auf VW** ansteigen,
so wird diese Folge von Vorgängen wiederholt. Folglich wird
das Boilerwasser gegen Einfrieren geschützt.