DE4210177A1

DE4210177A1 - Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE4210177A1
Application number: DE19924210177
Authority: DE
Inventors: Paul Heimbach
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1992-10-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung mit einem von einem modulierbaren Gasbrenner beaufschlagten Primärwärmetauscher und einer zu diesem in Serie geschalteten, den Brenner aufnehmen den, einen gekühlten Mantel aufweisenden Brennkammer, welche Se rienschaltung über Vorlauf- und Rücklaufleitungen mit mindestens einem Wärmeverbraucher verbunden ist, wobei ein die Vorlauf- mit der Rücklaufleitung verbindender, von einem Ventil gesteuerter By pass und eine die Leistung des Brenners steuernde Steuereinrich tung vorgesehen ist.

Bei solchen Heizeinrichtungen ergibt sich stets das Problem, daß es bei geringen Wärmeleistungen des Brenners zur Kondensatbildung am Primärwärmetauscher kommt, die zu erheblichen Korrosionsproble men führt.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Heizeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der sichergestellt ist, daß die Kondensatbildung weitestgehend vermie den wird.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß das im Bypass ange ordnete Ventil durch ein thermostatisches Ventil gebildet ist, das unterhalb einer bestimmten, einen kondensatfreien Betrieb ermögli chenden Temperatur am Auslauf der Serienschaltung zu Öffnen be ginnt.

Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, daß bei Absenkung der Vorlauftemperatur zum Wärmeverbraucher unter diesen thermostatisch gesicherten Wert der Heizwasserdurchfluß durch die aus dem Primär wärmetauscher und dem gekühlten Mantel der Brennkammer gebildeten Serienschaltung durch das Öffnen des im Bypass angeordneten Venti les reduziert wird. Dies ist durch den Umstand bedingt, daß der gesamte Durchfluß durch den Wärmeverbraucher konstant bleibt und daher beim Öffnen des Bypass der Durchfluß durch die erwähnte Se rienschaltung entsprechend reduziert wird. Da der Primärwärme tauscher und die gekühlte Brennkammer weiter beaufschlagt werden, wird das in diesen befindliche Heizmedium stärker erwärmt, wodurch die Temperatur des Heizmediums am Ausgang der durch den Primärwär metauscher und dem gekühlten Mantel der Brennkammer gebildeten Serienschaltung steigt und dadurch die Bildung von Kondensat verhindert wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Steuerung mit einem die Wärmebelastung des Brenners erfas senden Fühler, einem die Temperatur des Heizmediums am Ausgang der durch den Primärwärmetauscher und den gekühlten Mantel der Brenn kammer gebildeten Serienschaltung erfassenden Fühler und einem die Vorlauftemperatur erfassenden Fühler verbunden ist und den Betrieb des Brenners der Heizeinrichtung unterbricht, sobald bei der gege benen Belastung des Brenners die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur (ϑ) am Ausgang der Serienschaltung und der Vorlauftem peratur (ϑ_v) einen für die jeweilige Teillast definierten Grenz wert überschreitet.

Dadurch wird sichergestellt, daß bei einer unter diesem Grenzwert liegenden Wärmeanforderung der Brenner stillgesetzt wird, wodurch ebenfalls die Gefahr einer Kondensatbildung, die besonders bei ge ringem Wärmebedarf der Heizeinrichtung gegeben ist, vermindert wird.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Steuerung mit einem die Wär mebelastung des Brenners erfassenden Fühler, einem die Temperatur des Wassers am Ausgang der durch den Primärwärmetauscher und den gekühlten Mantel der Brennkammer gebildeten Serienschaltung erfas senden Fühler und einem die Vorlauftemperatur erfassenden Fühler verbunden ist und bei Überschreitung eines für die jeweilige Teil last typischen Grenzwertes der Differenz zwischen der Tempera tur (ϑ) am Ausgang der Serienschaltung und der Vorlauftem peratur (ϑ_v) eine Anhebung der Vorlauftemperatur (ϑ_v) bewirkt.

Die Anhebung der Vorlauftemperatur kann dabei durch eine ent sprechende in die Steuerung implementierte Software bewirkt wer den, wobei durch diese Anhebung die Überschreitung des vor gesehenen Grenzwertes der Temperaturdifferenz zwischen der Vor lauftemperatur und der Temperatur am Ausgang der aus dem Primär wärmetauscher und dem gekühlten Mantel der Brennkammer ausgegli chen wird.

Auch durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird die Gefahr der Kon densatbildung praktisch ausgeschaltet, da auf diese Weise auch die Rücklauftemperatur des Wassers in den Primärwärmetauscher erhöht wird und damit die Kondensatbildung unterbunden wird.

Nach einem weiteren Merkmal ist bei einer Heizeinrichtung, bei der in der Bypassleitung ein Drei-Wege-Mischventil angeordnet ist, vorgesehen, daß das Drei-Wege-Mischventil thermostatisch in Abhän gigkeit von der Temperatur des aus der aus dem Wärmetauscher und der gekühlten Brennkammer bestehenden Serienschaltung austretenden Mediums gesteuert ist, wobei dieses Mischventil den Durchfluß durch die Bypassleitung mit steigender Temperatur von einem Maxi mum beginnend vermindert.

Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß beim Start des Brenners nur ein vorgegebener minimaler Anteil des Durchflusses über den Heizungsrücklauf durch den Wärmetauscher und die gekühlte Brennkammer strömt. Dadurch kommt es zu einer raschen Erwärmung des Inhalts des Wärmetauschers und der gekühlten Brennkammer, so daß eine Kondensatbildung weitgehend unterbleibt. Dabei ist der Durchfluß durch den Wärmetauscher beziehungsweise der gekühlten Brennkammer beim Start des Brenners bei kaltem Heizmedium zweck mäßig auf das zur notwendigen Wärmeabfuhr erforderliche Mindestmaß beschränkt, um eben eine rasche Erwärmung des Wärmetauschers be ziehungsweise der gekühlte Brennkammer zu ermöglichen.

Mit steigender Temperatur des aus dem Wärmetauscher beziehungs weise der gekühlten Brennkammer austretenden Heizmediums wird der Durchfluß durch den Bypass durch das Drei-Wege-Mischventil mehr und mehr vermindert und dadurch der Durchfluß durch den Wärme tauscher und die gekühlten Brennkammer erhöht.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist ein Betrieb möglich, bei dem, solange die Vorlauftemperatur kleiner als die Temperatur des Heizmediums am Ausgang der aus dem Wärmetauscher und der gekühlten Brennkammer gebildeten Serienschaltung ist, für die Teilströme des durch die Heizeinrichtung fließenden Mediums die folgende Bezie hung gilt:

m_min m₁ < m

dabei bedeuten m_min die minimale Durchflußmenge durch die Serien schaltung von Wärmetauscher und der gekühlten Brennkammer, um eine Überhitzung zu vermeiden, m₁ die tatsächlich durch diese Seri enschaltung fließende Durchflußmenge und m die gesamte durch die Heizeinrichtung beziehungsweise die Heizkörperanordnung fließende Durchflußmenge.

Dabei ändert sich das Teilstromverhältnis von

m₁ : m

im Bereich von

Für den über die Bypassleitung fließenden Teilstrom ergibt sich dabei

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Drei-Wege-Mischventil zwei miteinander fest verbundene Ventilkörper aufweist, die von einem gemeinsamen Antrieb, vorzugs weise einem von einem am Ausgang der aus dem Wärmetauscher und der gekühlten Brennkammer gebildeten Serienschaltung angeordneten Dampfdruckfühler beaufschlagten Balg bewegbar sind, wobei ein Ein laß des Ventiles über einen Ventilsitz, der mit einem ersten Ven tilkörper zusammenwirkt, der zwischen einer, mit dem Ventilsitz einen Drosselspalt begrenzenden Stellung und einer Offenstellung bewegbar ist, mit einer zu der Heizkörperanordnung führenden Lei tung verbunden ist, die über einen zweiten Ventilsitz, der mit dem zweiten Ventilkörper zusammenwirkt, der bei in Offenstellung befindlichem ersten Ventilkörper auf diesem aufsitzt, mit der By passleitung verbindbar ist.

Auf diese Weise ergibt sich eine sehr einfache Konstruktion des Drei-Wege-Mischventiles. Außerdem ergibt sich dabei auch der Vor teil, daß die Öffnungsquerschnitte des die Bypassleitung steuern den Ventilteiles und des die vom Wärmetauscher beziehungsweise der gekühlten Brennkammer kommende Leitung steuernden Ventiles gemein sam gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, den Strömungswider stand in beiden vom Drei-Wege-Mischventil gesteuerten Zweigen kon stant auf dem Wert des Strömungswiderstandes im vom Wärmetauscher beziehungsweise der gekühlten Brennkammer kommenden Zweig bei ge schlossenem Bypass zu halten. Dadurch kann das Drei-Wege-Mischven til relativ klein gebaut werden.

Für den Öffnungsquerschnitt des vom Wärmetauscher beziehungsweise der gekühlten Brennkammer kommenden Zweiges mit dem Nennwert A₁ _N gilt dabei:

wobei A₁ den momentanen Öffnungsquerschnitt dieses Zweiges der von der momentanen Durchflußmenge m₁ durchströmt wird, bedeutet.

Für den Öffnungsquerschnitt A₂ des den Bypass steuernden Zweiges des Drei-Wege-Mischventiles gilt dabei:

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Drei-Wege-Mischventil bei jeder Stellung der beiden Ven tilkörper einen im wesentlichen gleichen Strömungswiderstand auf weist.

Durch diese Maßnahme ergibt sich der Vorteil, daß der Widerstand im gesamten System konstant bleibt und sich daher für die Umwälz pumpe stets gleiche Verhältnisse ergeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung,

Fig. 2 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Heizeinrichtung,

Fig. 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Drei-Wege-Ventil.

Die Heizeinrichtung weist ein Heizgerät 6 mit einem modulierbaren Brenner 5 auf, der über ein Gebläse 8 mit einem von der Gasarma tur 9 kommenden Gas und Frischluft versorgt wird. Dieser Brenner 5 erwärmt die von einem gekühlten Mantel 2 umschlossene Brennkammer, der vom zu erwärmenden Medium, in der Regel Heizwasser, durch strömt wird. Weiter ist in der Brennkammer der Primärwärme tauscher 1 stromab des gekühlten Mantels 2 angeordnet, welcher ebenfalls vom zu erwärmenden Medium durchströmt ist.

Eingangsseitig ist der Primärwärmetauscher 1 mit der Rücklauf leitung 12 einer Heizkörperanordnung (nicht dargestellt) ver bunden, wogegen die Vorlaufleitung 10 an der gekühlten Brenn kammer 2 angeschlossen ist.

Zwischen der in der Rücklaufleitung 12 angeordneten Umlaufpumpe 11 und dem Primärwärmetauscher 1 ist an der Rücklaufleitung 12 eine Bypassleitung 3 angeschlossen, über die eine Verbindung zur Hei zungsvorlaufleitung 10 herstellbar ist. Dabei ist in der By passleitung 3 ein thermostatisch steuerndes Drosselventil 4 ange ordnet, das in Abhängigkeit von der vom Ausgang nach Durchfluß durch den Primärwärmetauscher 1 und den gekühlten Mantel 2 der Brennkammer in bekannter Weise, zum Beispiel über den Dampfdruck eines Flüssigkeitsfühlers, abgenommenen Temperatur gesteuert ist, wobei die Öffnungstemperatur des Drosselventiles auf einen kondensatfreien Betrieb eingestellt ist.

Weiter ist eine Steuerung 7 vorgesehen, die mit einem die Hei zungs-Vorlauftemperatur ϑ_v erfassenden Fühler 13, einem die Was sertemperatur am Ausgang des gekühlten Mantels 2 der Brennkammer erfassenden Fühler 14 und einem die Brennerbelastung steuernden Fühler 15 verbunden ist. Das Ventil 4 wird über den Fühler 16 di rekt gesteuert.

In der Steuerung 7 sind in einem entsprechenden Speicher für jeden Teillastbereich des Brenners ein Grenzwert für die Differenz zwischen der Temperatur des Wassers am Ausgang des gekühlten Man tels 2 der Brennkammer und der Vorlauftemperatur ϑ_v eingeschrieben oder durch eine entsprechende Software festgelegt. Wird dieser Grenzwert überschritten so wird der Brenner 5 abgeschaltet. Nach einer weiteren Variante wird in einem solchen Falle statt der Stillsetzung des Brenners 5 die Rücklauftemperatur ϑ_R zum Primär wärmetauscher 1 soweit angehoben, daß der Grenzwert der Tempera turdifferenz zwischen der Temperatur am Ausgang des gekühlten Man tels 2 der Brennkammer und der Rücklauftemperatur zum Primärwärme tauscher nicht überschritten wird.

Dies wird nun anhand eines Beispieles erläutert.: Der Grenzwert der Temperaturdifferenz ϑ-ϑ_v wird durch die dimen sionslose Gleichung:

beschrieben, wobei den Bezeichnungen die folgenden Bedeutungen zukommen:

ϑ = Heizwassertemperatur am Ausgang des gekühlten Mantels 2 der Brennkammer,
ϑ_v = Heizwasser-Vorlauftemperatur,
ϑ_R = Heizwasser-Rücklauftemperatur
= maximale Temperaturdifferenz zwischen Heizungsvor- und -rücklauf.
= Verhältnis der Wärmebelastung bei Ist- und Nennlast
= Verhältnis des Heizwasser-Teilstromes im Primärwärmetauscher zum vollen Heizwasserstrom,

wobei diese Bezeichnungen auch für die weiteren Formeln gelten.

Für das Teilstromverhältnis gilt:

Dabei sind die drei Bereiche

zu unterscheiden. Dabei ist die Gleichung 2 identisch mit der Gleichung 1′. Die Gleichung 3 beschreibt einen linearen Übergang vom Zustand nach der Gleichung 2 zu jenem nach der Gleichung 4.

Beispiel

Die Vorgabewerte dieses Beispieles beschreiben eine Heizanlage, die bei Nennlast (Q_NB) mit einer Vorlauftemperatur 40°C und einer Rücklauftemperatur zum Primärwärmetauscher von 20°C betrieben wird. Dabei soll am Ausgang der Brennkammer die Temperatur 55°C nicht unterschritten werden.

tmax = 20K
ϑ = 55°C
ϑ_R = 20°C
ϑ_v 40°C

Gesucht: Grenzwert Q_B/Q_NB oder Alternative durch Anhebung der Rücklauftemperatur und der Vorlauftemperatur.

aus Gleichung 2:

daraus folgt:

mit ϑ_R = 20°C, ϑ_v = 28,7°C
dabei ergibt sich aus ϑ_v-ϑ_R = 0,438 ⌀ 20 = 8,7 K

Wenn bis zu einer kleineren Leistung moderiert werden soll, zum Beispiel bis Q_B/Q_NB = 0,35, dann müssen Vor- und Rücklauf temperatur angehoben werden. Es wird:

wegen der Kleinlast-Vorgabe 0,35 Q_NB ergibt sich

ϑ_V-ϑ_R = 0,35 · 20 = 7K

oder:
Vorlauf ϑ_V = 7 + 27 = 34°C

(ϑ-ϑ_v)_G = 21K

Allgemein gilt für den Übergang vom Zustand Q_B/Q_NB zum Zustand (Q_B/Q_NB)′

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 ähnelt jener nach der Fig. 1, doch ist statt des thermostatisch gesteuerten Ventiles 4 ein thermostatisch gesteuertes Drei-Wege-Ventil 17 vorgesehen, das die Aufteilung der Teilströme über den Bypass und Vorlauflei tung 10 und damit über die Serienschaltung der gekühlten Brennkam mer 2 und dem Wärmetauscher 1 steuert.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, weist das Drei-Wege-Misch ventil 17 einen als Antrieb dienenden Balg 21 auf, der von dem als Dampfdruckfühler ausgebildeten Fühler 20 beaufschlagt ist. Der Balg 21 ist mit zwei Ventilkörpern 23, 24 starr verbunden. Dabei steuert der Ventilkörper 23, der zwischen einer Drosselstellung und einer voll geöffneten Stellung verschiebbar ist, den von der gekühlten Brennkammer 2 zur Vorlaufleitung 10 führenden Zweig des Ventiles und der Ventilkörper 24 den von der Bypassleitung 3 zur Vorlaufleitung 10 führenden Zweig.

Beim Start der Heizeinrichtung ist das im Wärmetauscher 1 und in der gekühlten Brennkammer 2 befindliche Wasser und das aus der Heizungsrücklaufleitung zuströmende Wasser kalt. Um dabei eine Kondensatbildung weitgehend zu vermeiden, ist dabei der Bypass- Zweig voll geöffnet, wobei der öffnungsquerschnitt A₂ des Bypass- Zweiges so bemessen ist, daß eine bestimmte Min destdurchflußmenge m_min durch den Wärmetauscher 1 beziehungsweise die gekühlte Brennkammer 2 fließt. Für diese Mindestdurchflußmenge durch den Wärmetauscher 1 ist auch der minimale Öff nungsquerschnitt A₁ des Ventilkörpers 23 in Verbindung mit dem Ventilsitz 25 ausgelegt.

Mit steigender Temperatur des aus der gekühlten Brennkammer 2 aus strömenden Heizmediums schließt der Ventilkörper 24 mehr und mehr und gleichzeitig öffnet der Ventilkörper 23 immer weiter. Dadurch steigt der durch den Wärmetauscher 1 strömende Teilstrom m₁ und der durch die Bypassleitung fließende Teilstrom (m-m₁) vermin dert sich. Das Drei-Wege-Mischventil 17 steuert einen Dauerzustand an, bei dem entweder die Vorlauftemperatur ϑ_v der Heizungsanlage der Temperatur am Ausgang des Doppelmantels entspricht - in diesem Fall schließt der Ventilkörper 24 die Bypass-Leitung 3 - oder es stellt sich ein Zustand ϑ < ϑ_v ein, bei dem der durch den Ventil körper 24 gesteuerte Querschnitt der Bypass-Leitung 3 so weit of fen bleibt, daß trotz einer niedrigeren Temperatur im Heizungsvor lauf 10 die zur Vermeidung von Kondensat im Wärmetauscher 1 erforderliche Temperatur am Ausgang der gekühlten Brennkammer 1 erhalten bleibt.

Claims

1. Heizeinrichtung mit einem von einem modulierbaren Gasbrenner beaufschlagten Primärwärmetauscher und einer zu diesem in Serie geschalteten, den Bren ner aufnehmenden, einen gekühlten Mantel aufwei senden Brennkammer, welche Serienschaltung über Vorlauf- und Rücklaufleitungen mit mindestens ei nem Wärmeverbraucher verbunden ist, wobei ein die Vorlauf- mit der Rücklaufleitung verbindender, von einem Ventil gesteuerter Bypass und eine die Leistung des Brenners steuernde Steuereinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das im Bypass (3) angeordnete Ventil durch ein ther mostatisches Ventil (4) gebildet ist, das unter halb einer bestimmten einen kondensatfreien Be trieb ermöglichenden Temperatur am Auslauf der Serienschaltung (1, 2) zu Öffnen beginnt.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerung (7) mit einem die Wärmebelastung des Brenners (5) erfassenden Füh ler (15), einem die Temperatur des Wassers am Ausgang der durch den Primärwärmetauscher (1) und den gekühlten Mantel (2) der Brennkammer ge bildeten Serienschaltung (1, 2) erfassenden Füh ler (14), einem die Vorlauftemperatur erfassenden Fühler (13) verbunden ist und den Betrieb des Brenners der Heizeinrichtung unterbricht, sobald bei der gegebenen Belastung des Brenners die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur (ϑ) am Ausgang der Serienschaltung (1, 2) und der Vorlauftemperatur (ϑ_v) einen für die jeweilige Teillast definierten Grenzwert überschreitet.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert der Differenz zwischen der Temperatur (ϑ) am Ausgang der durch den Primärwärmetauscher (1) und den gekühlten Mantel (2) gebildeten Reihenschaltung (1, 2) und der Vorlauftemperatur (ϑ_v) bei einer Brennerbela stung von maximal 50% der Nennlast der Beziehung: (ϑ-ϑ_V)_G = 60 · Q_B/Q_NBentspricht.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerung (7) mit einem die Wärmebelastung des Brenners (5) erfassenden Füh ler (15), einem die Temperatur des Wassers am Ausgang der durch den Primärwärmetauscher (1) und den gekühlten Mantel (2) der Brennkammer ge bildeten Serienschaltung (1, 2) erfassenden Füh ler (4) und einem die Vorlauftemperatur erfassen den Fühler (13) verbunden ist und bei Überschrei tung eines für die jeweilige Teillast typischen Grenzwertes der Differenz zwischen der Tempera tur (ϑ) am Ausgang der Serienschaltung (1, 2) und der Vorlauftemperatur (ϑ_v) eine Anhebung der Vor lauftemperatur (ϑ_v) bewirkt.

5. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, bei der in der Bypassleitung ein Drei-Wege-Mischventil angeord net ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Drei- Wege-Mischventil (17) thermostatisch in Abhängig keit von der Temperatur des aus der aus dem Wär metauscher (1) und der gekühlten Brennkammer (2) bestehenden Serienschaltung austretenden Mediums gesteuert ist, wobei dieses Mischventil (17) den Durchfluß durch die Bypassleitung (3) mit stei gender Temperatur von einem Maximum beginnend vermindert.

6. Heizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Drei-Wege-Mischventil (17) zwei miteinander fest verbundene Ventilkörper (23, 24) aufweist, die von einem gemeinsamen Antrieb, vor zugsweise einem von einem am Ausgang der aus dem Wärmetauscher (1) und der gekühlten Brennkam mer (2) gebildeten Serienschaltung angeordneten Dampfdruckfühler (14) beaufschlagten Balg (21) bewegbar sind, wobei ein Einlaß des Ventiles (17) über einen Ventilsitz der mit einem ersten Ventilkörper (23), der zwischen einer mit dem Ventilsitz einen Drosselspalt begrenzenden Stel lung und einer Offenstellung bewegbar ist, mit einer zu der Heizkörperanordnung führenden Lei tung (10) verbunden ist, die über einen zweiten Ventilsitz, der mit dem zweiten Ventilkörper (24) zusammenwirkt, der bei in Offenstellung befind lichen ersten Ventilkörper (23) auf diesem auf sitzt, mit der Bypassleitung (3) verbindbar ist.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drei-Wege-Mischven til (17) bei jeder Stellung der beiden Ventilkör per (23, 24) einen im wesentlichen gleichen Strö mungswiderstand aufweist.