DE4117611C2 - Einrichtung zur kontinuierlichen Überwachung und Regelung eines durch einen elektrisch angetriebenen und von einem Drehzahlregler gesteuerten Ventilator erzeugten variablen Luftstromes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kontinuierlichen Überwa­ chung und Regelung eines durch einen elektrisch angetriebenen und von einem Drehzahl­ regler gesteuerten Ventilator erzeugten variablen Luftstromes.

Eine bekannte Vorrichtung zur Überwachung des Luftvolumenstromes basiert auf der Überwachung des von der Strömung an einer Meßblende hervorgerufenen Differenzdruk­ kes durch eine Druckmeßdose mit festem Schaltpunkt. Unterschreitet der Luftstrom einen festen Wert, so öffnet ein Schaltkontakt in der Druckmeßdose und schaltet das Gerät ab. Wegen des festen Schaltpunktes kann dieses Verfahren bei der Überwachung von Volu­ menströmen mit variablem Soll-Wert nur geringen Genauigkeitsanforderungen genügen.

Für die Überwachung eines in zwei Stufen variablen Luftstromes werden daher bei einer bekannten Vorrichtung zwei Druckmeßdosen mit unterschiedlichen Schaltpunkten einge­ setzt. Für die Überwachung eines stetig veränderlichen Luftstromes kann eine solche zweistufige Überwachung immer noch zu ungenau sein.

Eine Steuereinrichtung für ein brennstoffbeheiztes Gerät mit einem Gebläse, dessen Dreh­ zahl vom stetig modulierten Brennstoffdurchsatz geführt wird, ist aus der DE-PS 38 18 049 bekannt. Dazu ist eine spezielle Druckdose vorgesehen, die den Unterschied zwischen dem Staudruck der Verbrennungsluft und dem Steuerdruck des Brennstoffzufuhrventils erfaßt.

Nachteilig wirkt sich die hydraulische Beschaffung der Druckdose mit Abströmdüsen, Blen­ den oder ähnlichen Organen aus, da deren ausgleichende Wirkung für die unterschiedli­ chen Druckcharakteristiken von Luftstaudruck und Brennstoffsteuerdruck in Richtung Teil­ last immer ungenauer wird.

Für die kontinuierliche Überwachung eines stetig variablen Luftstromes sind weiterhin Ver­ fahren bekannt, die auf dem Hitzdrahtanemometerprinzip basieren. Das Anemometer liefert ein dem Luftstrom proportionales Signal, so daß ein Soll-Ist-Vergleich bei jedem einstellba­ ren Volumenstrom möglich ist. Nachteilig ist die Notwendigkeit relativ kleiner, empfindlicher Fühler, die in direktem Kontakt mit dem zu überwachenden Luftstrom stehen und damit der Gefahr der Verschmutzung und Korrosion ausgesetzt sind.

Es ist ein Verfahren bekannt, das zur Vermeidung der oben erwähnten Probleme eine Kombination aus Luftstrom- und Drehzahlüberwachung darstellt. Dabei wird oberhalb eines bestimmten Brennstoffdurchsatzes der Luftstrom mit einer Druckmeßdose überwacht. Un­ terhalb dieses Durchsatzes wird die Drehzahl des Ventilators, die von einer Regeleinrich­ tung an den Brennstoffdurchsatz angepaßt wird, überwacht. Die Drehzahlregelung kann dabei gemäß dem aus der DE-OS 34 02 120 bekannten Verfahren erfolgen, bei dem eine Kennlinie aus Drehzahl und Leistungsbedarf zugrunde gelegt wird. Nachteilig hierbei ist, daß eine Verschlechterung des Luftweges während des drehzahlüberwachten Betriebes nicht bemerkt wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und auch im Teillastbereich eine Erfassung des tatsächlichen Luftdurchsatzes ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies mittels einer Auswerteschaltung erreicht, die einen Rechner umfaßt, der beim Erreichen des Schaltpunktes einer Druckmeßdose aus der ermittelten Leistungsaufnahme des Antriebes des Ventilators, der Drehzahl und dem Massendurchsatz des Ventilators den aktuellen Wirkungsgrad des Ventilators errechnet, die eingangsseitig mit der im Luftstrom angeordneten Druckmeßdose mit festem Schaltpunkt, einem Drehzahl­ fühler und einem die aufgenommene Leistung des Antriebes des Ventilators erfassenden Leistungsmesser verbunden ist und die eingangsseitig von einem ein Maß für den Luftbe­ darf darstellenden Signal beaufschlagt wird und ausgangsseitig den Drehzahl-Soll-Wertge­ ber in Abhängigkeit von dem ein Maß für den Luftbedarf darstellenden Signal und dem er­ rechneten Wirkungsgrad beeinflußt.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau der Einrichtung.

Es können Änderungen im Wirkungsgrad des Ventilators einfach erfaßt und dadurch eine sehr genaue Einhaltung des erforderlichen Luftdurchsatzes erreicht werden.

Die Leistungsaufnahme des Antriebes des Ventilators ist proportional zu dem Produkt aus Wirkungsgrad, mechanischer Belastung und Drehzahl. Ist der Wirkungsgrad bekannt, so läßt sich aus der gemessenen Leistung und der Drehzahl die mechanische Belastung, also der Luftdurchsatz bestimmen.

Durch Bestimmung der Drehzahl und der Leistungsaufnahme des Ventilators im Moment, in dem eine Druckmeßdose infolge eines bekannten Luftdurchsatzes schaltet, läßt sich der aktuelle Wirkungsgrad des Ventilators ermitteln, und es können auf der Basis der jeweils jüngsten Werte des Wirkungsgrades Schwankungen beziehungsweise Alterungseffekte des Ventilators erfaßt werden. Unter der Annahme, daß sich der Wirkungsgrad des Ventila­ tors kurzfristig nicht ändert und seine Drehzahlabhängigkeit bekannt ist, kann daher für jede Drehzahl des Ventilators der Massedurchsatz des Ventilators errechnet werden und die Brennstoffzufuhr bei Unterschreiten der für den aktuellen Brennstoffdurchsatz notwendigen Luftmenge abgeschaltet werden, so daß ein die Umwelt unnötig belastender Betrieb ver­ mieden wird.

Die Benutzung der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt in der Weise, daß mit der Dreh­ zahl des Ventilators so weit hochgefahren wird, bis die Druckmeßdose schaltet. Zu diesem Zeitpunkt kann durch den Rechner aus der Drehzahl, dem durch das Schalten der Druck­ meßdose bekannten Massendurchsatz und der aufgenommenen Leistung, der Wirkungs­ grad des Ventilators errechnet werden.

Dabei kann bei einer Heizeinrichtung mit einer die Brennstoffzufuhr zu einem Brenner steu­ ernden Magnetventil und einer erfindungsgemäßen Einrichtung weiter vorgesehen sein, daß die Auswerteschaltung ausgangsseitig das die Brennstoffzufuhr regelnde Magnetventil freigibt, falls das den Luftbedarf des Brenners repräsentierende Signal, das in die Auswer­ teschaltung eingegeben wird, kleiner ist als der beim aktuellen Wirkungsgrad lieferbare Luftdurchsatz.

Dadurch wird eine Vereinfachung der Steuerung einer Heizeinrichtung erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 schematisch ein mit einer erfindungsgemäßen Steuerung ver­ sehenes Heizgerät und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung, die zur Steuerung 21 des Heizgerätes nach der Fig. 2 dient.

Die Einrichtung nach der Fig. 1 weist eine Auswerteschaltung 1 auf, die eingangsseitig mit einem Vorlauftemperaturregler 2 einer Heizungsanlage verbunden ist und einen Relaiskontakt 3 steuert, der bei entsprechend weit abgesunkener Vorlauftemperatur geschlossen wird und den Vorlauftemperaturregler 2 mit einem Gasfeuerungsauto­ maten 4 verbindet, der ein Gasmagnetventil 5 steuert.

Der Vorlauftemperaturregler 2 ist mit einem Drehzahl-Soll-Wertgeber 6 verbunden, der auch mit einem Ausgang 41 der Auswerteschaltung 1 verbunden ist. Dieser Drehzahl-Soll-Wertgeber 6 ist weiter mit ei­ nem Drehzahlregler 7 verbunden, der seinerseits mit einem Drehzahl­ fühler 8 verbunden ist, der zum Beispiel durch einen Hallsensor ge­ bildet sein kann. Dieser Drehzahlfühler 8 ist weiter mit der Aus­ werteschaltung 1 verbunden.

In der Anspeisung des Antriebes 9 des Ventilators 10 ist weiter ein Leistungsmesser 11 angeordnet, der ebenfalls mit der Auswerteschaltung 1 verbunden ist. Im Luftstrom des Ventilators 10, zum Beispiel in der Verbrennungsluftführung 20 des Heizgerätes nach der Fig. 2, ist eine Druckmeßdose 12 angeordnet, die einen festen Schaltpunkt aufweist und die mit der Auswerteschaltung 1 verbunden ist.

Wird bei einer Wärmeanforderung des Vorlauftemperaturreglers 2 über den Gasfeuerungsautomaten 4 das Gasmagnetventil 5 geöffnet und da­ mit auch der Ventilator 10 aktiviert, so wird die Drehzahl des Ven­ tilators 10 so lange hochgefahren, bis die Druckmeßdose 12 schal­ tet.

Da der Druck im Schaltpunkt festliegt und die Abmessungen des den Luftstrom führenden Kanales ebenfalls bekannt sind, läßt sich der Massendurchsatz ermitteln.

Die Auswerteschaltung 1 umfaßt einen Rechner, der aus der vom Lei­ stungsmesser erfaßten Leistung, der zum Schaltzeitpunkt der Druck­ meßdose 12 gegebenen Drehzahl des Ventilators 10 den Wirkungsgrad desselben errechnet.

Während der Betriebs zeit des Ventilators im Zuge eines Zyklusses kann eine Änderung des Wirkungsgrades, mit Ausnahme der bekannten durch Änderungen der Drehzahl des Ventilators 10 bedingten Änderun­ gen ausgeschlossen werden. Aus dem bei einem bekannten Luftdurch­ satz ermittelten Wirkungsgrad und dem bekannten Verlauf in Abhängig­ keit von der Drehzahl läßt sich nun durch den Rechner zu jedem an­ geforderten Luftdurchsatz die erforderliche Drehzahl des Ventila­ tors errechnen und dieser Wert an den Drehzahl-Soll-Wertgeber 6 weiterleiten.

Damit läßt sich stets der erforderliche Massendurchsatz durch ein­ fache Drehzahlsteuerung des Ventilators regeln, wobei eine Anpas­ sung an die Alterung des Ventilators und damit dem Absinken seines Wirkungsgrades gegeben ist.

Wird der Soll-Wert unterschritten, so wird über den Relaiskontakt 3 die Versorgung des Gasmagnetventiles 5 unterbrochen.

Die Fig. 2 zeigt einen Wasserheizer mit einem Brenner 13, der sich unterhalb eines Wärmetauschers 14 befindet, dessen Vorlauf mit 15 und dessen Rücklauf mit 16 bezeichnet sind.

An der Oberseite des Wärmetauschers 14 schließt ein Abgassammler 17 und eine Abgasführung 18 an, in der sich der Ventilator 10 befin­ det, der auch für die Zufuhr der Verbrennungsluft sorgt, die über die vom Gehäuse 19 umschlossene Verbrennungsluftführung 20 zu­ strömt, die die Abgasführung 18 ummantelt.

Die Steuerung 21, deren Aufbau aus der Fig. 1 zu ersehen ist, steuert den Antrieb 9 des Ventilators 10 über eine Steuerleitung 22 in Abhängigkeit vom Brennstoffdurchsatz zum Brenner 13. Dazu ist ein die Brennstoff zufuhr steuerndes Stellglied 23 über eine Steuer­ leitung 24 mit dem den Brennstoffdurchsatz stetig beeinflussenden Ventil 25 verbunden und über eine Steuerleitung 26 an die Steuerung 21 angeschlossen.

Ein übergeordnetes Magnetventil 5, das die Brennstoffzuführung 27 zum Brenner beherrscht, ist ebenfalls mit der Steuerung 21 verbun­ den.

In der Verbrennungsluftführung 20 ist weiter eine Meßblende 29 an­ geordnet, an deren beiden Seiten Meßleitungen 28 angeordnet sind, die zu der Druckmeßdose 12 führen, die über die Leitung 30 mit der Steuereinrichtung 21 verbunden ist.

Die Auswerteschaltung nach der Fig. 1 ist in der Fig. 3 darge­ stellt. Registriert der Vorlauftemperaturregler 2 eine Wärmeanfor­ derung, so liefert er ein Eingangssignal 37 an einen Sägezahngene­ rator 35 der Auswerteschaltung 1, der ein ansteigendes Ausgangs­ signal 41 an den Drehzahl-Soll-Wertgeber 6 liefert, wodurch die Ventilatordrehzahl stetig gesteigert wird. Wenn die Druckmeßdose 12 schaltet, so liefert sie ein Signal 40 an eine Abtast-Halte-Schal­ tung 32, die dann den augenblicklichen Wert eines ebenfalls zuge­ führten drehzahlproportionalen Signales speichert und den gespei­ cherten Wert an den Rechner 36 liefert.

Das drehzahlproportionale Signal wird mittels eines Frequenz-Span­ nungsumsetzers 31 aus dem Eingangssignal 38 des Drehzahlfühlers 8 gewonnen und außer der Abtast-Halte-Schaltung 32 auch direkt dem Rechner 36 zugeführt. Des weiteren wird dem Rechner 36 das auf gleiche Weise und zum gleichen Zeitpunkt, nämlich dem Schalten der Druckmeßdose 12, in einer weiteren Abtast-Halte-Schaltung 44 ge­ speicherte, vom Leistungsmesser 11 kommende Eingangssignal 39 zuge­ führt.

Der Rechner 36 errechnet aus dem für den Einschaltpunkt der Druck­ meßdose 12 bekannten Luftdurchsatz und der dabei gemessenen Lei­ stungsaufnahme und Drehzahl des Ventilators 10 den Wirkungsgrad desselben. Aus diesem Wirkungsgrad und dem Aktuellen Meßwert von Drehzahl und Leistung wird für alle aktuellen Werte ein Signal ge­ bildet, bei dessen Bildung die bekannte Drehzahlabhängigkeit des Wirkungsgrades des Ventilators 10 und seines Antriebes vom Rechner 36 berücksichtigt wird. Dieses gebildete Signal liegt an einem Kom­ parator 33 an und wird von diesem mit dem Eingangssignal 43 vergli­ chen, das ein Maß für die benötigte Leistung des Brenners 13 und damit für den benötigten Luftdurchsatz darstellt. Ist das Signal 43 höher als das mit ihm verglichene Signal, so schaltet der Kompara­ tor 33, gegebenenfalls nach einer internen Verzögerungszeit, über die auf den Relaiskontakt 3 wirkende Relaisspule 34 das Gasmagnet­ ventil 5 und damit die Brennstoffzufuhr ab.

Claims (2)

1. Einrichtung zur kontinuierlichen Überwachung und Regelung ei­ nes durch einen elektrisch angetriebenen und von einem Dreh­ zahlregler gesteuerten Ventilator (10) erzeugten variablen Luft­ stromes mit einer Auswerteschaltung (1), die einen Rechner (36) umfaßt der beim Erreichen des Schaltpunktes einer Druckmeß­ dose (12), aus der ermittelten Leistungsaufnahme des Antriebes (9) des Ventilators (10), der Drehzahl(en) und dem Massendurch­ satz des Ventilators,den aktuellen Wirkungsgrad des Ventilators (10) errechnet, die eingangsseitig mit der im Luftstrom angeord­ neten Druckmeßdose (12) mit festem Schaltpunkt, einem Dreh­ zahlfühler (8) und einem die aufgenommene Leistung des Antrie­ bes (9) des Ventilators (10) erfassenden Leistungsmesser (11) verbunden ist und die eingangsseitig von einem ein Maß für den Luftbedarf darstellenden Signal (37) beaufschlagt wird und aus­ gangsseitig den Drehzahl-Soll-Wertgeber (6, 7) in Abhängigkeit von dem ein Maß für den Luftbedarf darstellenden Signal und dem errechneten Wirkungsgrad beeinflußt.

2. Heizeinrichtung mit einer die Brennstoffzufuhr zu einem Brenner steuernden Magnetventil und einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (1) aus­ gangsseitig (42) das die Brennstoffzufuhr regelnde Magentventil (5) freigibt, falls das den Luftbedarf des Brenners repräsentie­ rende Signal (43), das in die Auswerteschaltung (1) eingegeben wird, kleiner ist als der beim aktuellen Wirkungsgrad lieferbare Luftdurchsatz.