DE4334625A1 - Verfahren zum Konstanthalten der Leistung eines Wassererwärmers - Google Patents

Verfahren zum Konstanthalten der Leistung eines Wassererwärmers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstanthalten der Ma­ ximal- und/oder Minimalleistung eines einen Gasbrenner aufwei­ senden Wassererwärmers mit einer pneumatischen Gas-Luft-Verbund­ regelung, wobei die durch einen Temperaturregler vorgegebene Soll-Leistung über einen von einem drehzahlgeregelten Lüfter­ motor erzeugten Luftvolumenstrom eingestellt wird.
Bei Gasgeräten mit einer pneumatischen Gas-Luft-Verbundregelung, deren Gerätebelastung beziehungsweise Geräteleistung über den von einem drehzahlgeregelten Lüftermotor vorgegebenen Luftvo­ lumenstrom eingestellt wird, kann es zu Schwankungen der Norm- Geräteleistung kommen. Ursächlich dafür sind vor allem Ferti­ gungstoleranzen, insbesondere hinsichtlich der Gas- beziehungs­ weise Luftblende des Gas-Luft-Verbundes, die Installationsart, wobei zum Beispiel verschiedene Abgasrohrlängen eine Rolle spie­ len sowie unterschiedliche Umgebungsbedingungen, beispielsweise unterschiedliche Zulufttemperaturen. Des weiteren kann es bei Gasgeräten mit Brennwert-Wärmetauscher zum sogenannten Hold-up- Effekt kommen, bei dem durch Kondensat im Wärmetauscher der Luftwiderstand zunimmt, wodurch die geforderte Luftmenge und da­ mit auch die Gasmenge und die Geräteleistung kleiner werden. In­ folgedessen wird die über den Drehzahlregler eingestellte mini­ male Belastung/Leistung unterschritten. Das kann dazu führen, daß die Flammen so klein werden, daß kein Ionisationsstrom zur Flammenerkennung mehr meßbar ist und eine Störabschaltung des Gerätes erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schwankungen der Maxi­ mal- und/oder Minimalleistung, insbesondere infolge von Ferti­ gungstoleranzen, verschiedener Installationsarten oder unter­ schiedlicher Umgebungsbedingungen, zu unterbinden, das heißt ein Verfahren zum Konstanthalten der Maximal- und/oder Minimallei­ stung eines Gasgerätes anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der maxi­ male beziehungsweise minimale Drehzahl-Soll-Wert nmax bezie­ hungsweise nmin von einem geregelten Steuerdruck f (pmax-pist) beziehungsweise f (pmin-pist) des Gas-Luft-Verbundes beauf­ schlagt wird. Auf diese Weise werden alle äußeren Faktoren, die den Steuerdruck beeinflussen, ausgeglichen. Der Steuerdruck dient quasi als Führungsgröße für den maximalen beziehungsweise minimalen Drehzahl-Soll-Wert.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine kontinuierliche Beaufschlagung des maximalen beziehungsweise mi­ nimalen Drehzahl-Soll-Wertes durch den geregelten Steuerdruck.
Bei einer zweiten Varianten des Verfahrens wird der maximale be­ ziehungsweise minimale Drehzahl-Soll-Wert nmax beziehungsweise nmin, ausgehend von einem Anfangs-Soll-Wert nmax0 beziehungs­ weise nmin0, so lange zeitlich gestuft in Abhängigkeit von der Steuerdruckdifferenz pmax-pist beziehungsweise pmin-pist er­ höht beziehungsweise verringert, bis der vom Temperaturregler vorgegebene Drehzahl-Soll-Wert nSoll den maximalen beziehungs­ weise minimalen Drehzahl-Soll-Wert nmax1 beziehungsweise nmin1 unterschreitet beziehungsweise überschreitet. Die zweite Va­ riante stellt insofern eine Verbesserung gegenüber der ersten Variante dar, daß keine ineinander verschachtelten Regelkreise zur Temperatur-, Druck- und Drehzahlregelung, das heißt kein schwer regelbares, zu Schwingungen neigendes System, erforder­ lich ist. Außerdem wirkt sich eine große Zeitkonstante des Druckregelkreises nicht auf die Temperaturregelung verzögernd aus. Aus diesen Gründen ist die zweite Variante zu bevorzugen. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich nur noch auf vor­ teilhafte Weiterbildungen dieser zweiten Variante.
Die zeitliche Stufung des maximalen beziehungsweise minimalen Drehzahl-Soll-Wertes nmax beziehungsweise nmin kann entweder in festen Zeitabständen oder in ereignisgetriggerten Zeitabständen erfolgen, wobei im letzteren Fall die Zeitabstände beendet wer­ den, wenn der Steuerdruck pist und/oder die Drehzahl nist annä­ hernd konstant sind. Die Druckbeaufschlagung des maximalen be­ ziehungsweise minimalen Drehzahl-Soll-Wertes nmax beziehungs­ weise nmin wird so lange unterbrochen, bis der eingestellte Drehzahl-Soll-Wert nSoll stabil ist; anhand der Maximaldruck­ regelung beziehungsweise Minimaldruckregelung wird dann eine neue maximale Drehzahl beziehungsweise minimale Drehzahl nmax beziehungsweise nmin ermittelt und auf den Temperaturregler ge­ geben, welcher aus der Regelabweichung unter Berücksichtigung von nmax beziehungsweise nmin den neuen Drehzahl-Soll-Wert ein­ stellt. Danach beginnt die Wartezeit auf stabile Drehzahlwerte erneut.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß bei Über- beziehungsweise Unterschreiten des Steuerdruckes pist über beziehungsweise unter den maximalen beziehungsweise minimalen Steuerdruck pmax beziehungsweise pmin der maximale be­ ziehungsweise minimale Drehzahl-Soll-Wert nmax2 beziehungsweise nmin2 in Abhängigkeit von der Über- beziehungsweise Unterschrei­ tung erhöht beziehungsweise verringert wird, wobei gilt
nmax2 = nist-f (pist-pmax) beziehungsweise
nmin2 = nist-f (pist-pmin).
Das bedeutet in bezug auf eine Maximaldrucküberwachung, daß bei Überschreiten von pmax im Proportionalbereich des Temperaturreg­ lers eine Anpassung der Übertragungskennlinie des Temperaturreg­ lers und damit eine Drehzahl und Druckabsenkung unter pmax er­ folgt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß zum Beispiel bei einem De­ fekt oder Hold-Up-Effekt, bei dem während einer Mindestzeit­ spanne T der Steuerdruck pist größer beziehungsweise kleiner als der maximale beziehungsweise minimale Steuerdruck pmax bezie­ hungsweise pmin ist, eine Abschaltung des Brenners erfolgt. Ein solcher Defekt kann zum Beispiel ein Kurzschluß in der Lüfteran­ steuerung sein, bei der der Lüfter immer mit seiner maximal mög­ lichen Drehzahl läuft, wodurch der Maximaldruckregler und die Maximaldrucküberwachung nicht mehr auf die Drehzahl einwirken können. Vorzugsweise beginnt nach der Abschaltung eine Brenner­ pause. Diese Brennerpause kann fest eingestellt sein und bei Heizwassererwärmung eine Brennersperrzeit (zum Beispiel 5 Minu­ ten) entsprechen, während sie bei Brauchwassererwärmung wesent­ lich kleiner ist (zum Beispiel 5 Sekunden).
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen beziehungsweise werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wassererwärmers und der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Funktionsein­ heiten,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Funktionseinheiten gemäß Fig. 1 in strukturierter Analyse,
Fig. 3 ein Diagramm der Übertragungskennlinien n = f (Δϑ) bei Beaufschlagung durch einen Maximaldruckregler,
Fig. 4 wie Fig. 3 bei Beaufschlagung durch eine Maximaldruck­ überwachung und
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Funktionseinheiten in strukturierter Analyse.
Der in der Fig. 1 dargestellte Wassererhitzer weist eine Brenn­ kammer 1 mit einem Gasbrenner 2 und einem Wärmetauscher 3 auf. Der Gasbrenner 2 wird über einen Lüfter 4 mit einem Gas-Luft-Ge­ misch versorgt. Dazu wird dem Lüfter 4 über einen Gas-Luft-Ver­ bund 5, der mit einer ein Stetigregelventil 6 aufweisenden Gas­ leitung 7 und zwei Zuluftleitungen 8a und 8b verbunden ist, sowohl Gas als auch Luft zugeführt. Die beiden Zuluftleitungen 8a und 8b sind vor beziehungsweise hinter einer Engstelle 9 eines von der Außenatmosphäre ausgehenden Zuluftkanals 10 abge­ zweigt. Zwischen den Zuluftleitungen 8a und 8b bildet sich ein Differenzdruck heraus, der den Steuerdruck des Gas-Luft-Verbun­ des 5 bildet. Zur Ermittlung dieses Steuerdruckes pist sind die beiden Zuluftleitungen 8a und 8b außerdem mit einem Stetig­ drucksensor 11 verbunden. Das Ausgangssignal pist des Stetig­ drucksensors 11, die von einem Temperaturregler 12 ermittelte Soll-Drehzahl nsoll für den Lüfter 4 sowie ein vorgegebener Ma­ ximaldruck pmax (25 d) sind einer Druckregelungs-Überwachungs­ einrichtung 13 zugeführt. Die Druckregelungs-Überwachungsein­ richtung 13, deren Funktionsweise weiter unten näher erläutert ist, dient der Ermittlung einer maximalen Drehzahl nmax, die auf der Ausgangsleitung 14 ansteht, und einer minimalen Drehzahl nmin, die auf einer Ausgangsleitung 15 ansteht. Beide Ausgangs­ leitungen 14 und 15 beaufschlagen den Temperaturregler 12. Die Druckregelungs-Überwachungseinrichtung 13 beinhaltet auch einen Maximaldruckbegrenzer und einen Minimaldruckbegrenzer, durch die bei Bedarf entweder ein Ausgangssignal 16 erzeugt, das auf eine Gasventilsteuerung 17 einwirkt, die das Stetigregelventil 6 schließt oder ein Ausgangssignal 18 erzeugt, das dem Temperatur­ regler 12 zugeführt ist und dessen Abschaltung bewirkt.
Das in einer Rohrschlange des Wärmetauschers 3 erhitzte Wasser wird in einem Umlauf mit Vorlauf 19, Rücklauf 20 und Umlaufpumpe 21 über den oder die Verbraucher geführt. Am Vorlauf 19 befindet sich ein Temperaturfühler 22, der die Ist-Temperatur Tist er­ faßt, die über eine Eingangsleitung 23 zusammen mit einer Soll- Temperatur Tsoll über eine Leitung 24 weitere Eingangsgrößen des Temperaturreglers 12 bilden. Der Temperaturregler 12 erzeugt aus den Eingangsgrößen nmax, nmin, Tist und Tsoll ein der Soll-Dreh­ zahl nsoll entsprechendes Ausgangssignal, welches über eine Lei­ tung 25 einem Drehzahlregler 26 zugeführt wird. Der Drehzahlreg­ ler 26 beaufschlagt die Motoransteuerung des Lüfters 4, von dem wiederum die aktuellen Drehzahlwerte nist abgenommen und über eine Meßleitung 27 dem Drehzahlregler 26 zugeführt werden.
Fig. 2 veranschaulicht die Funktionseinheiten zur Soll-Dreh­ zahl-Bestimmung noch einmal in detaillierterer Darstellungs­ weise. Dazu wurde auf die in der Software-Entwicklung anerkannte Symbolik der strukturierten Analyse zurückgegriffen. Durchgezo­ gene Linien charakterisieren hierbei interne Datenflüsse und ge­ strichelte Linien Steuersignale, das heißt Signale zur Aktivie­ rung beziehungsweise Deaktivierung der Funktionseinheit des Ver­ fahrens. Der Temperaturregler 12 und der Drehzahlregler 26 sind bereits bekannte Komponenten. Der Temperaturregler 12 gibt in Abhängigkeit von der Regelabweichung Tsoll-Tist über die Reg­ lerkennlinie 28 (Fig. 3) im Bereich nmin bis nmax einen Dreh­ zahl-Soll-Wert nsoll für den Drehzahlregler 26 vor. Die zusätz­ lichen Komponenten wirken bei einer kontinuierlichen Druckrege­ lung auf den Drehzahl-Soll-Wert nsoll. In den Figuren darge­ stellt ist jedoch die Vorzugsvariante, bei der die zusätzlichen Komponenten nur auf den Temperaturregler 12 wirken. Als Bestand­ teile der Druckregelungs-Überwachungseinrichtung 13 sind dazu ein Maximaldruckregler 29 und eine Maximaldrucküberwachung 30 vorgesehen. Diese beiden Funktionseinheiten 29 und 30 beauf­ schlagen eine Speicherstelle 31 für nmax, die den maximalen vom Temperaturregler 12 vorgegebenen Drehzahl-Soll-Wert nsoll vor­ gibt. Der Maximaldruckregler 29 wird aktiviert, wenn nsoll den maximalen Drehzahl-Soll-Wert nmax erreicht hat und dieser Soll- Wert während eines Zeitintervalles t11 konstant bleibt. Der ma­ ximale Drehzahl-Soll-Wert nmax wird durch den Maximaldruckregler 29 im festen Zeitintervall t12 um
nmax2 = nmax1 + f (pmax-pist)
erhöht. Diese zeitliche Stufung ist beendet, wenn der Drehzahl- Soll-Wert nsoll den maximalen Drehzahl-Soll-Wert nmax nicht mehr erreicht, das heißt auf Dauer unterschreitet. Das Ergebnis ist eine Druckbeaufschlagung des Temperaturreglers 12. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, erfolgt außerhalb des Proportionalbereiches des Temperaturreglers 12 eine Druckregelung auf pmax und ein Ab­ gleich der Temperaturreglerkennlinie 28 in Richtung einer modi­ fizierten Temperaturreglerkennlinie 32.
Die Maximaldrucküberwachung 30 wird aktiviert, wenn während ei­ nes Zeitintervalles t13 der Drehzahl-Soll-Wert nsoll den maxima­ len Drehzahl-Soll-Wert nmax unterschreitet (und somit der Maxi­ maldruckregler 29 nicht aktiviert wird) und der Steuerdruck pist den Maximaldruck pmax überschreitet. Bei diesem Verfahrens­ schritt wird der maximale Drehzahl-Soll-Wert nmax gleich der ak­ tuellen Drehzahl nist abzüglich der Drehzahländerung durch Drucküberschreitung pist-pmax gesetzt.
Fig. 4 zeigt, daß dadurch die letzt gültige Reglerkennlinie 33 in Richtung auf eine optimierte Reglerkennlinie 34 modifiziert wird. Diese Modifizierung erfolgt in entgegengesetzter Richtung wie die durch den Maximaldruckregler 29 bewirkte und in Fig. 3 dargestellte Kennlinienmodifizierung. Bei Überschreiten des Ma­ ximaldruckes pmax im Proportionalbereich des Temperaturreglers 12 erfolgt eine Anpassung der Übertragungskennlinie des Tempera­ turreglers 12 in Richtung einer Drehzahl- und Druckabsenkung un­ ter nmax beziehungsweise pmax. Die Maximaldrucküberwachung 30 wird frühestens nach dem Zeitintervall t14 wieder aktiviert.
Die Druckregelungs-Überwachungseinrichtung 13 enthält weiterhin einen Maximaldruckbegrenzer 35. Dieser bewirkt ein Schließen des Stetigregelventils 6 für den Fall, daß der Steuerdruck pist län­ ger als das Zeitintervall t15 größer als der Maximaldruck pmax bleibt.
Weiterhin vorgesehen ist eine Funktionseinheit zur Minimaldruck­ begrenzung 36, die ebenfalls in der Druckregelungs-Überwachungs­ einrichtung 13 integriert ist. Wenn der Steuerdruck pist länger als das Zeitintervall t16 kleiner als der Minimaldruck pmin bleibt, wird über eine auf den Temperaturregler 12 wirkende Re­ gelabschaltung das Stetigregelventil 6 geschlossen. Danach folgt eine Brennerpause, die bei Heizbetrieb einem Zeitintervall t17 der eingestellten Brennersperrzeit, beispielsweise 5 Minuten, entsprechen kann, während bei Brauchwasserbetrieb ein wesentlich kürzeres Zeitintervall t18 für die Brennerpause, zum Beispiel 5 Sekunden, eingestellt ist. Der Minimaldruckbegrenzer 36 bewirkt eine Brennerabschaltung, wenn die Minimalbelastung/-leistung des Gasgerätes unterschritten wird und damit auch eine Flammenerken­ nung über einen Ionisationsstrom kaum noch möglich ist.
Fig. 5 zeigt in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 2 einen noch komfortableren Aufbau der Funktionseinheit zur Durchführung des Verfahrens. Zusätzlich sind hier ein Minimaldruckregler 37 und eine Minimaldrucküberwachung 38 vorgesehen.
In umgekehrt analoger Weise zum Maximaldruckregler 29 wird hier nach einem Zeitintervall t19, während der der Drehzahl-Soll-Wert nsoll den minimalen Drehzahl-Soll-Wert nmin erreicht hat, der Minimaldruckregler 37 freigegeben. Dieser bewirkt eine zeitlich gestufte Absenkung des minimalen Drehzahl-Soll-Wertes nmin in festen Zeitintervallen t20, um
nmin2 = nmin1 + f (pmin-pist).
Dabei steht f für die Abhängigkeit der Drehzahl n vom Druck p. Die letzte Stufe dieses Verfahrensschrittes ist erreicht, wenn der Drehzahl-Soll-Wert nsoll den minimalen Drehzahl-Soll-Wert nmin auf Dauer überschreitet. In bezug auf die Übertragungskenn­ linie bewirkt dieser Verfahrensschritt, daß außerhalb des Pro­ portionalbereiches des Temperaturreglers 12 eine Druckregelung auf pmin und ein Abgleich der Temperaturreglerkennlinie erfolgt.
Im Anschluß an die Aktivität des Minimaldruckreglers 37 wird die Minimaldrucküberwachung 38 freigegeben. Nach einem Zeitintervall t21, in der der Steuerdruck pist den Minimaldruck pmin unter­ schreitet, wird der minimale Drehzahl-Soll-Wert nmin gleich der aktuellen Drehzahl nist zuzüglich der Drehzahländerung durch Druckunterschreitung pmin-pist gesetzt. In umgekehrt analoger Weise zur Maximaldrucküberwachung 30 gilt auch hier:
nmin2 = nist + f (pmin-pist).
Die Minimaldrucküberwachung 38 wird frühestens nach einem Zeitintervall t22 wieder aktiviert. Die Minimaldrucküberwachung 38 bewirkt, daß bei Unterschreiten des minimalen Steuerdruckes pmin im Proportionalbereich des Temperaturreglers 12 eine Anpas­ sung der Übertragungskennlinie des Temperaturreglers 12 und da­ mit eine Drehzahl- und Druckanhebung über nmin beziehungsweise pmin erfolgt.
Die festen Zeitintervalle t11, t12, t14, t19, t20 und t22 können durch ereignisgetriggerte Wartezeiten ersetzt werden. Die Warte­ zeit wird dann als beendet betrachtet, wenn der Druck und/oder die Drehzahl annähernd konstant sind.
Durch die verfahrensgemäße Berücksichtigung der Druckverhält­ nisse des Gas-Luft-Verbundes 5 gelingt eine erhebliche Eindäm­ mung unerlaubter Schwankungen der Norm-Geräteleistung infolge äußerer Einflüsse, wie zum Beispiel Fertigungstoleranzen, In­ stallationsart, unterschiedliche Umgebungsbedingungen oder Hold- Up-Effekten bei Brennwertgeräten.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angege­ bene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die bei andersartigem Aufbau von den Merkmalen der Er­ findung Gebrauch machen. Das gilt insbesondere für die Realisie­ rung der für das Verfahren erforderlichen Funktionselemente mit­ tels diskreter oder integrierter Bauelemente.

Claims (9)

1. Verfahren zum Konstanthalten der Maximal­ und/oder Minimalleistung eines einen Gasbrenner aufweisenden Wassererwärmers mit einer pneuma­ tischen Gas-Luft-Verbundregelung, wobei die durch einen Temperaturregler vorgegebene Soll- Leistung über einen von einem drehzahlgeregel­ ten Lüftermotor erzeugten Luftvolumenstrom ein­ gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale beziehungsweise minimale Drehzahl Soll-Wert nmax beziehungsweise nmin von einem Steuerdruck f (pmax-pist) beziehungsweise f (pmin-pist) des Gas-Luft-Verbundes beauf­ schlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine kontinuierliche Beaufschlagung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der maximale beziehungsweise minimale Drehzahl-Soll-Wert nmax beziehungsweise nmin, ausgehend von einem Anfangs-Soll-Wert nmax0 be­ ziehungsweise nmin0, so lange zeitlich gestuft in Abhängigkeit von der Steuerdruckdifferenz pmax-pist beziehungsweise pmin-pist erhöht beziehungsweise verringert wird, bis der vom Temperaturregler (12) vorgegebene Drehzahl- Soll-Wert nsoll den maximalen beziehungsweise minimalen Drehzahl-Soll-Wert nmax1 beziehungs­ weise nmin1 unterschreitet beziehungsweise überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die zeitliche Stufung in festen Zeit­ abständen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die zeitliche Stufung in ereignisge­ triggerten Zeitabständen erfolgt, wobei die Zeitabstände beendet werden, wenn der Steuer­ druck pist und/oder die Drehzahl nist annähernd konstant sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Über- beziehungs­ weise Unterschreiten des Steuerdruckes pist über beziehungsweise unter den maximalen bezie­ hungsweise minimalen Steuerdruck pmax bezie­ hungsweise pmin der maximale beziehungsweise minimale Drehzahl-Soll-Wert nmax2 beziehungs­ weise nmin2 in Abhängigkeit von der Über- be­ ziehungsweise Unterschreitung verringert bezie­ hungsweise erhöht wird, wobei gilt nmax2 = nist-f(pist-pmax)beziehungsweisenmin2 = nist-f (pist-pmin).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Abschaltung des Brenners (2) er­ folgt, wenn während einer Mindestzeitspanne t15 beziehungsweise t16 der Steuerdruck pist größer beziehungsweise kleiner als der maximale bezie­ hungsweise minimale Steuerdruck pmax bezie­ hungsweise pmin ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß nach der Abschaltung eine Brennerpause t17 beziehungsweise t18 beginnt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennerpause fest eingestellt ist und bei Heizwassererwärmung eine Brennersperr­ zeit (zum Beispiel t17 = 5 Minuten) entspricht, während sie bei Brauchwassererwärmung wesent­ lich kleiner ist (zum Beispiel t18 = 5 Sekun­ den).
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