DE3818363C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Gas- Luft-Mengenregelung für Gasgebläsebrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gas-Luft-Mengen­ regelung bei einem Gasgebläsebrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind aus der DE-OS 28 34 242 bekannt. Die Gaszufuhr wird dabei der Luftzufuhr so nachgeführt, daß bei Teillast diejenige Gemischzusammensetzung erhalten bleibt, die zuvor bei der Einregulierung des Vollastbetriebes hinsichtlich optimaler Gemischzusammensetzung eingestellt wurde. Die Nachführung der Gaszufuhr beruht auf der Messung des Druckes in der Luftleitung und der proportionalen Änderung der Gaszufuhr aufgrund der Variation des Luftdruckes. Voraussetzung für die einwandfreie Funktion ist, daß der Druck in der Luftleitung zum Brenner und die dem Brenner zugeführte Luftmenge proportional sind. Dies trifft im allgemeinen dann zu, wenn die Luftzufuhr zum Brenner durch eine Drosselklappe gesteuert wird.

Im Hinblick auf bessere Verbrennung des Heizgases sind jedoch auch Brenner entwickelt worden, bei denen keine eingangs- oder ausgangsseitig angeordnete Drosselklappe vorhanden ist. Es sind Brenner bekannt, bei denen die Brennerleistung durch Variation des Ausströmquerschnitts im Brennerkopf mittels einer Stau­ scheibe gesteuert wird, wodurch vor allem eine bessere Durchmischung von Luft und Gas im Kleinlastbereich erreicht werden soll. Nachteilig dabei ist, daß der Druck in der Luftleitung zwischen Gebläse und Brenner durch die bei unterschiedlicher Leistung unterschiedliche Position der Stau­ scheibe kaum variiert wird, so daß die Größe dieses Luftdrucks nicht zur Steuerung der Gasmenge herangezogen werden kann.

Darüber hinaus ist es bekannt (DE 31 25 513 A1), die Heizölpumpe eines Vergasungsbrenners mit Hilfe eines elektrischen Signals zu steuern, das ein elektronischer Regler aus den elektrischen Eingangssignalen berechnet, welche den Druck und die Temperatur der Ansaugluft und den Staudruck an einer Stauklappe repräsentieren. Das gleiche Prinzip der Berechnung eines elektrischen Steuersignals für die Heizgaszufuhr in einem elektronischen Regler ist auch bei einer bekannten Einrichtung (DE 31 16 670 A1) bekannt, die vom Druck in der Luftzufuhrleitung abhängt.

Schließlich ist es auch bereits bekannt (DE-PS 29 08 197), eine dem Massenstrom der Luft entsprechende Kraft zu ermitteln, in einen Druck zu wandeln und einen die Gasmenge regelnden Regler mittels dieses als Steuerdruck verwendeten Druckes zu steuern. Die Kraftermittlung erfolgt dadurch, daß zwei Drucke ermittelt und aus diesen ein Differenzdruckwerk gebildet wird, was einen erheblichen apparativen Aufwand verlangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem bzw. der trotz kaum variierenden Luftdrucks die Gasmenge zur Leistungssteuerung und -regelung der Luftmenge nachgeführt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 2 aufgeführten Maßnahmen.

Bei der Erfindung wird eine Größe ausgewertet, die auch dann einen eindeutigen Zusammenhang mit dem Massenstrom hat, wenn im Brennerkopf eine Stauscheibe vorhanden ist, deren Position variiert wird. Diese Größe wird in einen Druck umgewandelt, dem dann die Gasmenge mittels eines Verhältnisreglers nachgeführt werden kann. Nachdem sich pneumatische Regelungen bewährt haben, insbesondere pneumatische oder pneumatisch-hydraulische Verhältnisregler, kann bei der Erfindung diese Regelungsart beibehalten werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Massenstrom im Luftkanal dadurch zu bestimmen, daß eine Stauscheibe als Meßfühler in den Luftkanal eingefügt wird. Die Stauscheibe liefert eine Kraft, die dem Produkt aus Geschwindigkeit des Luftstroms und der Dichte und somit dem Massenstrom proportional ist. Diese Kraft kann mittels eines Wandlers in einen Steuerdruck umgewandelt werden, der nun als pneumatische Größe zur direkten Ansteuerung eines Verhältnisreglers verwendet werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Gas-Luft-Mengenregelung für Gasgebläsebrenner, und

Fig. 2 eine Ausführungsvariante.

In der Fig. 1 ist ein Brennerkopf 1 dargestellt, dem über eine Gasleitung 2 das Verbrennungsgas und über einen Luftkanal 3 die zur Verbrennung benötigte Luft zugeführt werden. Die Luft wird von einem Gebläse 4 gefördert.

Im Brennerkopf 1 ist eine Steuer-Stauscheibe 5 angeordnet, mit deren Hilfe die Leistung des Brenners variiert werden kann, was z. B. durch Bewegung in den mit einem Doppelpfeil gekennzeichneten Richtungen erfolgt. Die Variation der Luftmenge erfolgt dabei durch Änderung des Ausströmquerschnitts für die Luft.

Im Zuge der Gasleitung 2 ist ein Verhältnisregler 6 bekannter Bauart enthalten. An diesem Verhältnisregler 6 sind Mittel vorhanden, mit denen die Regelverstärkung und gegebenenfalls auch eine Begrenzung eingestellt werden können. Unter Regelverstärkung ist hier das Verhältnis der Änderung der Gasmenge zur Änderung der Luftmenge zu verstehen. Eine Begrenzung kann dazu dienen, daß beispielsweise unterhalb eines minimalen Steuerdruckes entsprechend einer minimalen Luftmenge das die Gaszufuhr steuernde Ventil geschlossen bleibt. Daraus ergibt sich dann auch, daß bei sehr kleinen Gasmengen ein bedeutender Luftüberschuß auftritt, was aus verbrennungstechnischen Gründen wünschenswert ist. Mit zunehmender Gasmenge ist dann der Luftüberschuß kleiner.

Im Luftkanal 3 ist eine Meßstauscheibe 7 eingebaut, mit der über den dynamischen Druck die Masse des Luftstroms erfaßbar ist. Die auf die Meßstauscheibe 7 wirkende Kraft ist der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und somit dem Massenstrom der Luft proportional. Die Meßstauscheibe 7 wirkt über einen um einen Drehpunkt 8 drehbaren Hebel 9 auf eine Membran 10. Dabei stützt sich ein am der Meßstauscheibe 7 gegenüber liegenden Ende des Hebels 9 fest angebrachter Stößel 11 auf der Oberfläche der Membran 10 ab.

Die Membran 10 verschließt eine Kammer 12, die über einen Kanal 13 mit dem Luftkanal 3 und über eine Steuerleitung 14 mit dem Verhältnisregler 6 in Verbindung steht. Im Zuge des Kanals 13 ist eine Drossel 15 eingebaut, deren Funktion später beschrieben wird.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Kammer 12 mit dem Luftkanal 3 in Verbindung steht, denn diese Anordnung dient lediglich dazu, den Druck im Luftkanal 3 als Energiequelle für die Gewinnung eines noch zu beschreibenden Steuerdrucks heranzuziehen. In gewissen Fällen vorteilhaft wäre es, der Kammer 12 den nötigen Druck mittels einer Pumpe zuzuführen. Um jedoch eine derartige Pumpe einzusparen, ist die zuvor beschriebene Lösung mit einer Verbindung zwischen dem Luftkanal 3 und der Kammer 12 von Vorteil.

In die Kammer 12 ragt ein Rohr 16, dessen erstes Ende mit der Atmosphäre in Verbindung steht, also offen ist, und dessen zweites Ende eine Düse 17 bildet, die der Membran 10 gegenüber liegt und durch die Mem­ bran 10 verschließbar ist. Die Meßstauscheibe 7, der um den Drehpunkt 8 drehbare Hebel 9, die Membran 10, der Stößel 11, die Kammer 12, der Kanal 13 mit der darin befindlichen Drossel 15 und das Rohr 16 mit der Düse 17 bilden zusammen einen Wandler 18.

Nachfolgend wird die Funktion dieses Wandlers 18 beschrieben. Wenn das Gebläse 4 nicht in Betrieb ist, herrscht im Luftkanal 3 der Druck der umgebenden Atmosphäre und es existiert keine Strömung. Demzufolge wird auf die Meßstauscheibe 7 kein Druck ausgeübt, und deshalb bewirkt die Meßstauscheibe 7 ihrerseits auch keine Kraft auf die Membran 10 über den Hebel 9 und den Stößel 11. Da die Kammer 12 über den Kanal 13, in der die Drossel 15 eingebaut ist, mit dem Luftkanal in Verbindung steht, herrscht auch in der Kammer 12 atmosphärischer Druck. Ein in der Kammer 12 bestehender Überdruck würde sich über die Düse 17 abbauen, denn ein Überdruck in der Kammer 12 würde die Membran 10 in Richtung Stößel 11 bewegen, weil dieser Stößel 11 keine Gegenkraft ausübt. Wenn in der Kammer 12 atmosphärischer Druck herrscht, so weist auch die Steuerleitung 14 diesen Druck auf. Dadurch ist das zum Verhältnisregler 6 gehörende Ventil geschlossen, die Gaszufuhr zum Brenner also unterbrochen.

Wenn das Gebläse 4 in Betrieb ist, herrscht im Luftkanal 3 ein Überdruck gegenüber der Atmosphäre und es herrscht eine je nach Position der Steuer-Stauscheibe 5 unterschiedlich starke Strömung. Je größer der durch die Stellung der Steuer-Stauscheibe 5 freigegebene Ausströmquerschnitt ist, desto stärker ist die Luftströmung. Durch die Strömung wird wie erwähnt eine Kraft auf die Meßstauscheibe 7 ausgeübt, die über den Hebel 9 und den Stößel 11 auf die Membran 10 übertragen wird. Die Membran 10 bewegt sich dabei so, daß die Düse 17 des Rohres 16 verschlossen wird. Da gleichzeitig im Luftkanal 3 ein bestimmter Druck herrscht, der größer ist als der Druck der Atmosphäre, wird in der Kammer 12 ein Druck aufgebaut. Der sich aufbauende Druck in der Kammer 12 hängt vom Verhältnis der Strömungswiderstände in der Drossel 15 und in der Düse 17 ab. Wenn angenommen wird, daß die Düse 17 gänzlich verschlossen sei, dann entspricht der Druck in der Kammer 12 dem Druck im Luftkanal 3.

Die beschriebene bevorzugte Variante mit einer Verbindung zwischen dem Luftkanal 3 und der Kammer 12 erweist sich dabei schon deswegen als besonders vorteilhaft, weil bei der Ausführung mit einer besonderen Pumpe zur Erzeugung des Luftdrucks auch noch Mittel nötig wären, um die Pumpe dann abzuschalten, wenn das Gebläse 4 nicht in Betrieb ist. Zwar ist das Abschalten der Pumpe nicht zwingend notwendig, jedoch sinnvoll, weil der Lauf der Pumpe bei im übrigen abgestellter Brenneranlage unsinnig wäre.

Der Druck in der Kammer 12 wirkt über die Steuerleitung 14 auch auf den Verhältnisregler 6. Das Gasventil des Verhältnis­ reglers 6 wird nun entsprechend der Größe des Druckes in der Kammer 12 geöffnet. Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit im Luftkanal 3 erhöht, was durch eine Bewegung der Steuer-Stau­ scheibe 5 in Öffnungsrichtung bewirkt wird, so wird die an der Meßstauscheibe 7 wirksame Kraft größer und damit die auch vom Stößel 11 auf die Membran 10 übertragene Kraft. Damit wird die Öffnung der Düse 17 verringert, was einen Druckanstieg in der Kammer 12 bewirkt. Dadurch wird bewirkt, daß das Gasventil des Verhältnisreglers 6 weiter geöffnet wird. Einer steigenden Luftmenge folgt also eine steigende Gasmenge. Die Gasmenge wird der Luftmenge nachgeführt.

Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit im Luftkanal 3 verringert, was durch eine Bewegung der Steuer-Stauscheibe 5 in Schließrichtung bewirkt wird, so wird die an der Meßstauscheibe 7 wirksame Kraft kleiner und damit die auch vom Stößel 11 auf die Membran 10 übertragene Kraft. Damit wird die Öffnung der Düse 17 vergrößert, was einen Druckabfall in der Kammer 12 bewirkt. Dadurch wird bewirkt, daß das Gasventil des Verhältnisreglers 6 weiter geschlossen wird. Einer fallenden Luftmenge folgt also eine fallende Gasmenge. Die Gasmenge wird wiederum der Luftmenge nachgeführt.

Es wurde gezeigt, daß der Druck in der Kammer 12, - und dieser Druck ist der Steuerdruck p_s für den Verhältnisregler 6 -, vom Massenstrom im Luftkanal 3 abhängig ist. Der Eingangsdruck am Verhältnisregler 6 hängt infolgedessen von der dem Brenner pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge ab, denn die Strömungsgeschwindigkeit im Luftkanal 3 beeinflußt die dem Brenner pro Zeiteinheit zugeführte Luftmasse. Da nun der Verhältnisregler 6 dem Brenner eine dem Steuerdruck p_s an seinem Eingang proportionale Gasmenge zuführt, ist gewährleistet, daß der Brenner immer aufeinander abgestimmte Mengen von Verbrennungsgas und Luft erhält.

Der Steuerdruck p_s kann bei der Ausführung mit einer Verbindung zwischen dem Luftkanal 3 und der Kammer 12 höchstens so hoch sein wie der Luftdruck im Luftkanal 3. Wird dagegen eine separate Pumpe zur Erzeugung des Druckes vorgesehen, so entfällt diese Beschränkung in der Höhe des Steuerdrucks p_s, was von Vorteil sein kann.

Besonders vorteilhaft an diesem Wandler 18 ist, daß keine zusätzlichen Vorrichtungen nötig sind, um den Wandler 18 eigensicher zu machen. Aus Sicherheitsgründen muß es unmöglich sein, daß dem Brenner ein Gemisch von Verbrennungsgas und Luft zugeführt wird, dessen Verbrennungsgas-Anteil höher ist als der stöchiometrische Wert. Dies ist auch im Störungsfall für diesen Wandler 18 gewährleistet. Mögliche Störungsursachen könnten z. B. sein: Verstopfen der Drossel 15, Bruch der Membran 10, Verstopfen der Düse 17.

Wenn die Drossel 15 durch im Luftstrom mitgeführte Partikel verstopfen sollte, so kann sich der Steuerdruck p_s nicht aufbauen, so daß der Verhältnisregler 6 kein Steuersignal erhält und somit dem Brenner kein Gas zugeführt wird. Verstopft die Drossel 15 nur teilweise, so folgt der Steuerdruck p_s etwas verzögert, was zur Folge hat, daß temporär ein Luftüberschuß entsteht. Dieser Zustand ist zwar unerwünscht, jedoch unkritisch. Beim Bruch der Membrane 10 kann sich kein Steuerdruck p_s aufbauen, was wie erwähnt dazu führt, daß der Verhältnisregler 6 kein Steuersignal erhält und somit dem Brenner kein Gas zugeführt wird. Das Verstopfen der Düse 17 würde dazu führen, daß der Steuerdruck p_s zu hoch würde. Daraus folgte eine überstöchiometrische Gasmenge, was nicht zulässig ist. Nun ist aber das Verstopfen der Düse 17 dann nicht zu befürchten, wenn die Drossel 15 einen kleineren Querschnitt hat als die Düse 17, weil allenfalls mit dem Luftstrom beförderte Fremdpartikel dann bereits in der Drossel 15 hängen bleiben und somit nicht bis zur Düse 17 gelangen können. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, wenn die Düse 17 einen größeren Querschnitt hat als die Drossel 15, weil damit eine zusätzliche Vorrichtung entbehrlich ist, um die Sicherheit des Wandlers 18 zu gewährleisten.

Mit Vorteil können Funktionen, die gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel im Verhältnisregler 6 realisiert sind, in den Wandler 18 integriert werden. So ist es (Fig. 2) möglich, die Einstellung des Verhältnisses zwischen Luftmenge und Gasmenge, die üblicherweise in einem Verhältnisregler vorgesehen ist, im Wandler 18a zu realisieren. Bei dieser Ausführungsvariante ist ein weiterer Hebel 19 vorhanden, der um einen Drehpunkt 20 bewegbar ist. An dessen dem Drehpunkt 20 entgegengesetzten Ende befindet sich der Stößel 11, der an der Membran 10 anliegt. Zwischen dem Hebel 9 der Meßstauscheibe 7 und dem Hebel 19 ist ein in seiner Position verschiebbares Einstellglied 21 angeordnet, das das Übersetzungsverhältnis zwischen den Hebeln 9 und 19 und damit das Verhältnis Luftmenge zu Gasmenge bestimmt.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Verhältnisregler einfacher gestaltet werden kann. Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 ist in einem Verhältnisregler 6a eine Einstellung der Proportionalität nicht mehr vorgesehen, sondern nur noch eine Begrenzung. Der Verhältnisregler 6a enthält deshalb zur Vorgabe einer Mindest-Luftmenge bei Kleinlast eine Kleinlastfeder 22.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, auch die Mindest-Luft­ mengen-Einstellung für Kleinlast noch in den Wandler 18a zu integrieren. Bei einer solchen weiteren Ausführungsvariante ist die Kleinlastfeder 22 Bestandteil des Wandlers. Damit sind die wesentlichen Funktionen des nachgeschalteten Verhältnisreglers bereits im Wandler realisiert, so daß der nachgeschaltete Verhältnisregler im Prinzip ein Gleichdruckregler ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Gas-Luft-Mengenregelung bei einem Gasgebläse­ brenner, bei dem die Menge der dem Brenner zugeführten Luft ermittelt und dieser Menge die Gasmenge für eine optimale Verbrennung selbsttätig nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brenner, bei dem die Brennerleistung durch Variation des Ausströmquerschnitts im Brennerkopf mittels einer Stauscheibe gesteuert wird, eine dem Massenstrom der Luft entsprechende Kraft mittels einer im Luftstrom ange­ ordneten Meßstauscheibe (7) gemessen und mittels eines Wandlers (18, 18a) in einen Druck ge­ wandelt wird, und daß ein die Gasmenge regelnder Verhältnis­ regler (6, 6a) mittels dieses als Steuerdruck (p_s) verwendeten Druckes gesteuert wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler (18; 18a) aus einer mit einer Membran (10) verschlossenen Kammer (12) besteht,
daß der Kammer (12) unter Druck stehende Luft zugeführt wird,
daß die Kammer (12) mit dem Verhältnisregler (6; 6a) durch eine Steuerleitung (14) verbunden ist,
daß die von der Meßstauscheibe (7) abgegebene Kraft auf die Membran (10) so wirkt, daß diese Kraft dem Druck in der Kammer (12) entgegenwirkt, und
daß innerhalb der Kammer ein Rohr (16) angeordnet ist, dessen eines Ende mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht, während dessen anderes Ende eine Düse (17) bildet, die der Membran (10) so gegenüberliegt, daß sie durch die Membran (10) verschließbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) mit dem Luftkanal (3) durch einen eine Drossel (15) aufweisenden Kanal (13) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Luftströmung im Luftkanal (3) auf die Meß­ stauscheibe (7) ausgeübte Kraft mittels eines um einen Dreh­ punkt (8) beweglichen Hebels (9) und eines an diesem Hebel (9) an dem der Meßstauscheibe (7) gegenüberliegenden Ende befestigten Stößels (11) auf die Membran (10) übertragen wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (9, 19, 21) vorhanden sind, mit denen die von der Luftströmung im Luftkanal (3) auf die Meßstauscheibe (7) ausgeübte Kraft zwecks Einstellung des Verhältnisses zwischen Luftmenge und Gasmenge korrigiert und diese korrigierte Kraft auf die Membran (10) übertragen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßstauscheibe (7) ausgeübte Kraft über einen um einem Drehpunkt (8) beweglichen Hebel (9), einen um einen Drehpunkt (20) beweglichen weiteren Hebel (19), ein zwischen diesen Hebeln (9, 19) verschiebbar angeordnetes Einstellglied (21) und einen am freien Ende des weiteren Hebels (19) befestigten Stößel (11) auf die Membran (10) übertragen wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Düse (17) größer ist als der Quer­ schnitt der Drossel (15).