DE3818265A1 - Controller for a heating system - Google Patents

Controller for a heating system

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Abstract

Controllers for heating systems use actuating elements which influence the combustion air-feed and thus the ratio of the latter to the fuel feed so that there is only a minimum oxygen excess in the exhaust gas so that a minimum quantity of pollutants and an almost optimal efficiency results. The said controllers and their actuating elements are complex. The novel controller and its actuating element are, in contrast, to be simpler. The novel controller leaves the volumetric ratio between the fuel and air unchanged and affects the control by influencing the volume-specific calorific value of the fuel via the temperature dependence of its density, for which purpose a controllable continuous flow heater which is operated electrically or with waste heat and is situated in the fuel feed is used an actuating element. The controller and the actuating element are suitable for heating systems having a burner and for heating systems having a diesel motor with utilisation of waste heat. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Regler für eine Heizungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a controller for a heating system according to the preamble of claim 1.

Die Verbrennung in ungeregelten Heizungsanlagen unterliegt stän­ dig gewissen Schwankungen, hervorgerufen durch Schwankungen der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit, des Luftdrucks, der Brenn­ stoffqualität, der die Viskosität und das Raumgewicht des Brenn­ stoffs beeinflussenden Brennstofftemperatur und der Verschmutzung der Verbrennungseinrichtung.Combustion in uncontrolled heating systems is subject to constant certain fluctuations caused by fluctuations in the dig Air temperature, humidity, air pressure, burning material quality, the viscosity and density of the firing fuel temperature and pollution the incinerator.

Solche Schwankungen sind unvermeidlich und verändern das Brenn­ stoff/Luft-Verhältnis, so daß auch ein stöchiometrisch optimal, d.h. auf einen nur geringen Sauerstoffüberschuß eingestelltes Mischungsverhältnis auf Dauer nicht eingehalten wird und entweder bei Sauerstoffmangel Schadstoffe erzeugt werden oder bei Sauer­ stoffüberschuß Wärmeverluste auftreten. Das Mischungsverhältnis muß daher häufig korrigiert oder auf einen größeren Sauerstoffü­ berschuß eingestellt werden, bei dem Verluste in Kauf genommen werden müssen.Such fluctuations are inevitable and change the burning substance / air ratio, so that a stoichiometric optimum, i.e. set to only a slight excess of oxygen Mixing ratio is not maintained in the long run and either pollutants are generated when there is a lack of oxygen or when there is acid Excess fabric heat losses occur. The mixing ratio must therefore be corrected frequently or to a larger oxygen surplus set at which losses are accepted Need to become.

Geregelte Heizungsanlagen halten das Brennstoff/Luft-Verhältnis auf einem einmal eingestellten, einen nur geringen Sauerstoff­ überschuß aufweisenden Wert konstant, bei dem ein nur minimaler Schadstoffanteil und nur geringe Wärmeverluste auftreten. Die Regelung beeinflußt hierzu in Abhängigkeit von dem im Abgas ge­ messenen Anteil einer charakteristischen Abgaskomponente, z.B. des Sauerstoffs, den Massendurchsatz einer der beiden zur Ver­ brennung gelangenden Komponenten so, daß der eingestellte Wert des obengenannten Verhältnisses beibehalten wird. Controlled heating systems keep the fuel / air ratio on a once set, only a little oxygen excess constant, at which only a minimal Pollutant content and only slight heat losses occur. The Control affects this depending on the ge in the exhaust gas measured proportion of a characteristic exhaust gas component, e.g. of oxygen, the mass flow rate of one of the two for ver burning components so that the set value of the above ratio is maintained.  

Aus der BBC-Firmendruckschrift D ZAO 1 17 386 D, "Feuerungsrege­ lung mit Sauerstoffsonden", Bild 7, ist eine Feuerung mit einem solchen Regler bekannt. Er verwendet als Stellglied zur Regelung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses eine durch einen Stellmotor betätigbare Gebläse-Luftklappe, die auf die dem Brenner pro Zeit­ einheit zugeführte Luftmenge einwirkt, wobei die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge (Öl oder Gas) konstant gehalten ist.From the BBC company publication D ZAO 1 17 386 D, "Feuerungsrege with oxygen probes ", Figure 7, is a furnace with a such regulator known. It is used as an actuator for regulation of the fuel / air ratio by an actuator Actuated blower air damper that on the burner per time Unit supplied air quantity acts, the per unit time amount of fuel supplied (oil or gas) is kept constant.

Auch bei Heizungsanlagen mit variabler Brennerlast, bei denen die zugeführten Brennstoff- und Luftmengen etwa im selben Verhältnis verändert werden (gekoppelte Einstellung), ist es bekannt, in der oben angegebenen Weise den Anteil einer bestimmten Abgaskomponen­ te, z.B. den Sauerstoffüberschuß, zu messen und ihn durch Rege­ lung auf einem erwünschten Wert konstant zu halten. Dabei wirkt der Regler entweder auf eine Zusatzluftklappe ein, die im Neben­ schluß zu einer die Veränderung der Brennerlast ermöglichenden Luftklappe liegt, oder es wird ein Koppelgestänge zwischen einem Brennstoffstellglied und einem Brennluftstellglied mechanisch verstellt, wobei bei Vollast aber nur ein geringer Regelbereich erzielbar ist.Also in heating systems with variable burner load, where the supplied fuel and air quantities in approximately the same ratio be changed (coupled setting), it is known in the above the proportion of a certain exhaust gas components te, e.g. the excess of oxygen to measure and it by rain to keep constant at a desired value. It works the controller either on an additional air damper, which is in the side conclude one that enables the burner load to be changed Air flap, or there is a linkage between one Fuel actuator and a combustion air actuator mechanically adjusted, but at full load only a small control range is achievable.

Im Prinzip ist auch ein Regeleingriff in die Brennstoffzufuhr möglich, doch führt dies insbesondere bei Ölbrennern mit Ölzer­ stäubung zu keinem befriedigenden Ergebnis, da es schwierig und aufwendig ist, darauf einzuwirken.In principle there is also a control intervention in the fuel supply possible, but this leads in particular to oil burners with oil burners dusting does not give a satisfactory result as it is difficult and is complex to act on.

Die bekannten Heizungsregler arbeiten daher fast durchweg mit im Luftweg liegenden Stellgliedern. Sie haben alle den Nachteil, daß ihr Stellglied aufwendig ist.The known heating controllers therefore work almost consistently with Air actuators. They all have the disadvantage that its actuator is complex.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler für Hei­ zungsanlagen der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Stell­ glied betriebssicher und nicht aufwendig ist.The invention has for its object a controller for Hei to specify plants of the type mentioned at the beginning, link is reliable and not complex.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merk­ male gelöst.This object is characterized by the marked in claim 1 times solved.

Auf diese Weise ergibt sich ein sehr einfaches und betriebssicher arbeitendes Stellglied, das einen Betrieb sehr nahe am stöchiome­ trisch optimalen Arbeitspunkt erlaubt. This results in a very simple and reliable working actuator that operates very close to the stoichiome trically optimal working point allowed.  

Die Vorteile der Erfindung sind geringe Umweltbelastung durch genaues Einhalten eines optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses, Energieeinsparung, einfache Handhabung, minimaler apparativer, Betätigungs- und Wartungsaufwand.The advantages of the invention are low environmental impact exact adherence to an optimal fuel / air ratio, Energy saving, easy handling, minimal equipment, Operating and maintenance effort.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Unteran sayings marked.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierbei zeigtThe invention is illustrated below with reference to the in the drawing presented embodiments explained. Here shows

Fig. 1 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels mit geregel­ ter elektrischer Ölbeheizung, Fig. 1 is a diagram of a first embodiment with REG ter electric oil heater,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Abwandlung der in Fig. 1 dar­ gestellten Anordnung, Fig. 2 shows a detail of a modification of the arrangement provided in FIG. 1 represents,

Fig. 3 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem reglergesteuerten Mischventil, Fig. 3 is a diagram of a second embodiment having a governor controlled mixing valve,

Fig. 4 ein Schema eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem geregelten abgasbeheizten Wärmetauscher und Fig. 4 is a diagram of a third embodiment with a controlled exhaust gas heated heat exchanger and

Fig. 5 ein Schema eines vierten Ausführungsbeispiels für eine Heizungsanlage mit einem Dieselmotor, der elektrische und Heizenergie liefert. Fig. 5 is a schematic of a fourth embodiment for a heating system with a diesel engine that provides electrical and heating energy.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist im Abgasabzug 1 der Brennkammer 2 einer mit Öl beheizten Feuerungsanlage eine Sauerstoffsonde 3 angeordnet, deren Ausgangssignal dem dort ge­ messenen Sauerstoffanteil proportional ist und einer Regelschal­ tung 4 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der Regelschaltung 4 liefert unmittelbar die elektrische Leistung für die Heizwendel 5 eines Durchflußheizers 6, der in der Ölausgangsleitung 7 einer Ölpumpe 8 liegt, die zusammen mit einem Luftgebläse 9 von einem Elektromotor 10 angetrieben wird. Die Fördermengen der mechanisch gekoppelten Ölpumpe 8 und des Luftgebläses 9 sind so aufeinander abgestimmt, daß das einem Brenner 11 zugeführte Öl/Luft-Gemisch ein fast ideales stöchiometrisches Verhältnis mit einem geringem Sauerstoffüberschuß besitzt.In the arrangement shown in FIG. 1, an oxygen probe 3 is arranged in the exhaust gas extractor 1 of the combustion chamber 2 of an oil-heated furnace, the output signal of which is proportional to the oxygen content measured there and a control circuit 4 is supplied. The output signal of the control circuit 4 directly provides the electrical power for the heating coil 5 of a flow heater 6 , which is in the oil outlet line 7 of an oil pump 8 , which is driven together with an air blower 9 by an electric motor 10 . The delivery rates of the mechanically coupled oil pump 8 and the air blower 9 are coordinated so that the oil / air mixture fed to a burner 11 has an almost ideal stoichiometric ratio with a small excess of oxygen.

Der Durchflußheizer erwärmt das durchfließende Öl, wobei sich dieses wegen der Temperaturabhängigkeit seiner spezifischen Dich­ te ausdehnt. Dabei stellt die Regelschaltung 4 die Temperatur des von der Ölpumpe 8 geförderte Ölvolumens so ein, daß sich ein sol­ ches Massenverhältnis des Öl/Luftgemisches ergibt, daß ein gewün­ schter äußerst geringer Sauerstoffüberschuß auftritt. Dieser wird durch die Regelung beibehalten, auch wenn sich die eingangs ge­ nannten Einflußgrößen ändern.The flow heater heats the oil flowing through, which expands due to the temperature dependence of its specific density. The control circuit 4 sets the temperature of the oil volume delivered by the oil pump 8 so that there is such a mass ratio of the oil / air mixture that a desired extremely low excess of oxygen occurs. This is maintained by the control, even if the influencing variables mentioned at the beginning change.

Die in Fig. 2 dargestellte Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung unterscheidet sich von dieser im wesentlichen dadurch, daß der von der Regelschaltung (4 in Fig. 1) beaufschlagte Durchflußheizer 12 in einer Öleingangsleitung 13 der Ölpumpe (8 in Fig. 1) angeordnet ist.The modification shown in FIG. 2 of the arrangement shown in FIG. 1 differs from this essentially in that the flow heater 12 acted upon by the control circuit ( 4 in FIG. 1) in an oil inlet line 13 of the oil pump ( 8 in FIG. 1) is arranged.

Die Regelschaltung 4 kann einen Spannungs/Impulsbreiten-Wandler enthalten, der einen nicht näher dargestellten, den Heizstrom periodisch unterbrechenden Schalter betätigt, mit dem die zuge­ führte Heizleistung geregelt wird.The control circuit 4 can contain a voltage / pulse width converter, which actuates a switch, not shown in detail, which periodically interrupts the heating current and with which the supplied heating power is controlled.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel verzweigt sich eine Ölausgangsleitung 13 einer Ölpumpe 14 in zwei Zweige, von denen der eine Zweig 15 unmittelbar und der andere Zweig über einen in nicht näher dargestellter Weise thermosta­ tisch elektrisch konstant beheizten Durchlaufheizer 16 zu den Eingängen eines von einer Regelschaltung 17 gesteuerten Mischven­ tils 18 führen, dessen Ausgangsleitung 19 in nicht näher darge­ stellter Weise einen Ölbrenner speist. Die Regelschaltung 17 ver­ stellt das Mischventil 18 in der Weise, daß das Öl in der Aus­ gangsleitung 19 eine derartige Temperatur und damit Dichte an­ nimmt, daß sich ein solches Massenverhältnis des Öl/Luftgemisches einstellt, daß im Abgas ein gewünschter äußerst geringer Sauer­ stoffüberschuß auftritt und beibehalten wird.In the second embodiment shown in Fig. 3, an oil outlet line 13 of an oil pump 14 branches into two branches, of which one branch 15 directly and the other branch via a thermostatically electrically constant flow heater 16 to the inputs of a in a manner not shown by a control circuit 17 controlled Mischven valve 18 lead, the output line 19 feeds an oil burner in a manner not shown Darge. The control circuit 17 ver sets the mixing valve 18 in such a way that the oil in the output line 19 takes on such a temperature and thus density that such a mass ratio of the oil / air mixture occurs that a desired extremely low excess of oxygen occurs in the exhaust gas and will be maintained.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel führt eine Ölausgangsleitung 20 einer Ölpumpe 21 über einen Wär­ metauscher 22 zu einem nicht näher dargestellten Ölbrenner. Der Wärmetauscher 22 liegt im Nebenschluß zu einem Abgasabzug 23. In einer Abgaszuleitung 24 des Nebenschlusses ist eine verstellbare Drosselklappe 25 angeordnet, die von einer Regelschaltung 26 wie­ derum so betätigt wird, daß das durchfließende Öl genau die Tem­ peratur und damit die Dichte annimmt, die zu dem gewünschten sehr geringen Sauerstoffüberschuß führt. In the third embodiment shown in Fig. 4, an oil outlet line 20 of an oil pump 21 via a heat exchanger 22 leads to an oil burner, not shown. The heat exchanger 22 is shunted to an exhaust vent 23 . In an exhaust gas supply line 24 of the shunt, an adjustable throttle valve 25 is arranged, which is actuated by a control circuit 26 such that the oil flowing through takes on exactly the temperature and thus the density, which leads to the desired very small excess of oxygen.

Das in Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel arbeitet am Motor (27) einer Diesel-Wärmepumpe oder einer Diesel-Heiz/ Kraftanlage. Dem Eingang (28) einer Kraftstoffeinspritzpumpe (29) wird Kraftstoff über die eine Seite eines Wärmetauschers (30) zugeführt, dessen andere Seite im Nebenschluß zu einer Auspuff­ leitung (31) des Motors (27) liegt. In der Auspuffleitung (31) ist eine Sonde (32) angeordnet, die mit einem Regler (33) verbun­ den ist, der eine den Nebenschlußdurchsatz beeinflussende Dros­ selklappe (34) betätigt. Der zur volumendosierenden Kraftstof­ feinspritzpumpe (29) fließende Kraftstoff wird dabei auf eine solche Temperatur und damit Dichte gebracht, daß sich ein Kraft­ stoffmengendurchsatz ergibt, bei dem sich ein fast ideales stö­ chiometrisches Verhältnis bei nur sehr geringem Sauerstoffüber­ schuß im Auspuffabgas einstellt.The fourth exemplary embodiment shown in FIG. 5 works on the engine ( 27 ) of a diesel heat pump or a diesel heating / power plant. The input ( 28 ) of a fuel injection pump ( 29 ) is supplied with fuel via one side of a heat exchanger ( 30 ), the other side of which shunts to an exhaust line ( 31 ) of the engine ( 27 ). In the exhaust pipe ( 31 ) there is a probe ( 32 ) which is connected to a controller ( 33 ) which actuates a throttle valve influencing the shunt flow rate ( 34 ). The volume metering fuel injection pump ( 29 ) flowing fuel is brought to such a temperature and thus density that there is a fuel flow rate in which there is an almost ideal sto chiometric ratio with only a very small excess of oxygen in the exhaust gas.

Claims (7)

1. Regler für eine mit Öl oder Gas betriebene Heizungsanlage, der das stöchiometrische Verhältnis zwischen den zugeführten Mengen an Brennstoff und Luft auf einen fast idealen Wert einstellt, bei dem ein nur sehr geringer Sauerstoffüberschuß im Abgas auftritt, mit einer einen Istwertmesser des Reglers bildenden, vom Abgas beaufschlagten Sonde zur Messung des Anteils einer charakteristi­ schen Abgaskomponente (O₂, CO₂, CO), mit volumendosierenden För­ dermitteln für die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft und mit einem die Zufuhr einer der beiden Komponenten im Sinne der Beibehaltung des definierten, nur sehr geringen Sauerstoffüber­ schusses beeinflussenden Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied die Dichte des zufließenden Brennstoffs durch Än­ derung von dessen Temperatur beeinflußt.1.Controller for a heating system operated with oil or gas, which adjusts the stoichiometric ratio between the supplied amounts of fuel and air to an almost ideal value, at which there is only a very small excess of oxygen in the exhaust gas, with an actual value meter of the controller, from the exhaust gas-loaded probe for measuring the proportion of a characteristic exhaust gas component (O₂, CO₂, CO), with volume-dosing funding for the supply of fuel and combustion air and with the supply of one of the two components in the sense of maintaining the defined, only very low Oxygen excess influencing actuator, characterized in that the actuator influences the density of the inflowing fuel by changing its temperature. 2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell­ glied ein vom Brennstoff durchflossener, elektrisch beheizbarer Durchflußheizer (6, 12) ist, der unmittelbar vom elektrischen Ausgangssignal einer Reglerschaltung (4) gespeist wird. (Fig. 1 und 2).2. Controller according to claim 1, characterized in that the actuator is a fuel-flow, electrically heated flow heater ( 6 , 12 ) which is fed directly from the electrical output signal of a regulator circuit ( 4 ). ( Figs. 1 and 2). 3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reg­ lerschaltung ein pulsbreitengesteuertes elektrische Ausgangssig­ nal abgibt. (Fig. 1 und 2).3. Controller according to claim 2, characterized in that the regulator circuit outputs a pulse-width-controlled electrical output signal. ( Figs. 1 and 2). 4. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell­ glied ein im Brennstoffzulauf liegendes, von der Reglerschaltung (14) betätigtes Zweiwegmischventil (18) ist, dessen einem Eingang Brennstoff unerwärmt und dessen anderem Eingang Brennstoff über einen elektrisch beheizten Durchlauferhitzer (16 in Fig. 3) oder über einen abgasbeschickten Wärmetauscher zuströmt.4. Regulator according to claim 1, characterized in that the actuator is a lying in the fuel supply, from the regulator circuit ( 14 ) operated two-way mixing valve ( 18 ), one input fuel unheated and the other input fuel via an electrically heated water heater ( 16 in Fig. 3) or flows through an exhaust gas-charged heat exchanger. 5. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß das Stell­ glied ein vom Brennstoff durchflossener und mit Abwärme beheizter Wärmetauscher (22) mit einer von einer Reglerschaltung (26) betä­ tigten, den Durchsatz des die Abwärme transportierenden Mediums steuernden Drosselklappe (25) ist. (Fig. 4).5. Controller according to claim 1, characterized in that the actuator is a fuel flow and heated with waste heat heat exchanger ( 22 ) actuated by a regulator circuit ( 26 ) actuated, the throughput of the waste heat transporting medium controlling throttle valve ( 25 ) . ( Fig. 4). 6. Regler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizungsanlage eine Feuerungsanlage mit einem Bren­ ner (11) ist.6. Controller according to one of claims 2 to 5, characterized in that the heating system is a furnace with a burner ner ( 11 ). 7. Regler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizungsanlage einen Dieselmotor (27) enthält, des­ sen Abwärme Heizenergie liefert.7. Controller according to one of claims 2 to 5, characterized in that the heating system contains a diesel engine ( 27 ), the sen waste heat provides heating energy.
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