DE60015238T2

DE60015238T2 - Verbrennungseinheit

Info

Publication number: DE60015238T2
Application number: DE60015238T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Nagoya-shi Sobue; Daisuke Yokahama-shi Koshimizu; Kenjiro Matsudo-shi Fukuyama; Yoshihiro Toshima-ku Atarashiya
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: EP1063480A3; JP2001065977A; DE60015238D1; JP3589610B2; EP1063480A2; EP1063480B1; KR100693674B1; KR20010007413A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung, wie einen Wassererhitzer, einen Heizboiler oder dergleichen, und insbesondere eine Verbrennungsvorrichtung zum Neutralisieren und Ablassen eines Ablasses, der in einem Wärmetauscher durch Wärmetausch mit Gas erzeugt wird, das von einem Brenner durch Brennstoffverbrennung darin abgegeben wird.
Siehe 6 der beigefügten Zeichnungen: Eine bekannte Heißwasserzulaufvorrichtung als Beispiel für eine Verbrennungsvorrichtung umfasst ein Wasserzulaufrohr 51, einen Brenner 52, einen ersten Wärmetauscher 53, der sich oberhalb des Brenners 52 befindet, einen zweiten Wärmetauscher 54, der sich oberhalb des ersten Wärmetauschers 53 befindet, ein Wasserablassrohr 56 zum Ablassen von Wasser als Ablass, das in dem zweiten Wärmetauscher 54 kondensiert ist und durch eine Aufnahmevorrichtung 55 unterhalb des zweiten Wärmetauschers 54 gesammelt wird, und eine Neutralisiereinrichtung 57, die sich im Wasserablassrohr 56 befindet und mit einem festen alkalischen Neutralisiermittel gefüllt ist.
Wasser, das durch das Wasserzulaufrohr 51 fließt, wird nach und nach durch die Wärme eines Abgases aus dem Brenner 52 durch Brennstoffverbrennung darin über den ersten Wärmetauscher 53 und den zweiten Wärmetauscher 54 aufeinander folgend erhitzt und aus der Heißwasserzulaufvorrichtung als heißes Wasser einer vorbestimmten Temperatur entlassen. Bevor das Wasser, das durch das Wasserzulaufrohr 51 fließt, größtenteils durch den ersten Wärmetauscher 53 erhitzt worden ist, ist das Wasser genauer gesagt durch das Abgas von dem Brenner 52 erhitzt worden, dessen Temperatur aufgrund des Wärmetausches im ersten Wärmetauscher 53 gesunken ist. Weil Wasser, das durch das Wasserzulaufrohr 51 fließt, in zwei Stufen erhitzt wird, steigt die Wärmewirksamkeit des Abgases von dem Brenner 52.
Wird aus einem Wasserdampf, der im Abgas des Brenners 52 enthalten ist, latente Wärme durch den zweiten Wärmetauscher 54 entnommen, wird der Wasserdampf zu Wasser kondensiert, das in der Auffangeinrichtung 55 aufgefangen und als Ablass über das Wasserablassrohr 56 aus der Heißwasserzulaufvorrichtung abgelassen wird. Der Ablass umfasst saures Wasser mit pH 4, weil es Stickoxide (NOx) und Schwefeloxide (SOx) aus dem Abgas absorbiert und Salpetersäure (HNO₃) und Schwefelsäure (H₂SO₄) enthält. Wird der Ablass nicht neutralisiert, sondern als solcher entlassen, verursacht er die Korrosion von Metallteilen, wie dem Wasserablassrohr 56, die Schädigung von Betonstrukturen und Gebäuden und die Verunreinigung von Wasser, was zu Umweltzerstörung führt. Daher muss der Ablass in dem Ausmaß neutralisiert werden, dass sein pH von 5 bis 9 reicht, wie durch Abwasserstandards vorgegeben.
Zur Erfüllung dieser Anforderung besitzt die in 6 gezeigte Heißwasserzulaufvorrichtung die in dem Wasserablassrohr 56 befindliche Neutralisiervorrichtung 57, die mit einem festen alkalischen Neutralisiermittel gefüllt ist. Gelangt der Ablass durch die Neutralisiervorrichtung 57, wird er durch das feste alkalische Neutralisiermittel neutralisiert, und anschließend wird der neutralisierte Ablass aus dem Heißwasserzulaufrohr entlassen.
Das bekannte Ablassneutralisierverfahren ist aber dahingehend nachteilig, dass korrosive Produkte des zweiten Wärmetauschers 54 und Staubteilchen aus der Luft in das Neutralisiermittel gelangen und das Neutralisiermittel verbraucht wird, nachdem die Heißwasserzulaufvorrichtung längere Zeit benutzt wurde. Dadurch verringert sich die Neutralisierfähigkeit der Neutralisiervorrichtung 7. Eine Lösung wäre die Verwendung eines flüssigen Neutralisiermittels, wie einer alkalischen Flüssigkeit oder dergleichen. Ein zur Aufbewahrung nimmt jedoch einen großen Raum ein, was Anstrengungen behindert, die Verbrennungsvorrichtung kompakt zu gestalten, und es ist mühsam, das flüssige Neutralisiermittel regelmäßig aufzufüllen.
Daher ist es wünschenswert, stellt man eine Verbrennungsvorrichtung bereit, die einen Ablass ohne Verwendung eines Neutralisiermittels neutralisieren kann.
Zuvor erwogene Verbrennungsvorrichtungen sind in JP 08173977 und DE4240428 offenbart. DE4240428 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung gemäß der Präambel von Anspruch 1.
Erfindungsgemäß wird eine Verbrennungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend: ein Wasserzulaufrohr; einen Brenner; einen Wärmetauscher, der in dem Wasserzulaufrohr angebracht ist und mit dem Abgas des Brenners Wärme tauscht, so dass die Wassertemperatur im Wasserzulaufrohr steigt; ein Wasserablassrohr zum Sammeln des Kondenswassers, das im Wärmetauscher entsteht, wenn der Wärmetauscher mit dem Abgas des Brenners Wärme tauscht, und zum Ablassen des gesammelten Kondenswassers als Ablass; eine Rechenvorrichtung zum Berechnen der erzeugten Ablassmenge; und Neutralisiervorrichtungen zum Mischen von Wasser und Ablass, so dass dieser neutralisiert wird, wobei die von der Neutralisiervorrichtung zugemischte Wassermenge von der Ablassmenge abhängt, die die Rechenvorrichtung berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zudem eine Verbrennungssteuervorrichtung vorhanden ist, welche die Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme steuert, wobei die Rechenvorrichtung Vorrichtungen aufweist zum Berechnen der erzeugten Ablassmenge und zwar bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme, die von der Verbrennungssteuervorrichtung gesteuert wird.
Der Erfinder hat gefunden, dass ein saurer Ablass durch Leitungswasser neutralisiert werden kann, das aus einem Wasserzulaufsystem zugeführt wird. Der Grund dafür ist, dass Leitungswasser aufgrund von Natriumcarbonat usw. Hydroxidionen (OH^–) enthält, weil das durch die Erde fließende Quellwasser Natriumcarbonat und Calciumcarbonat enthält. Die Verbrennungsvorrichtung der obigen Bauart kann daher den Ablass mit Leitungswasser ohne Verwendung eines Neutralisiermittels neutralisieren. Der hier verwendete Begriff "messen" betrifft das direkte Messen der Größe einer bestimmten Menge unter Verwendung einer Vorrichtung oder eines Instrumentes und bezogen auf eine bestimmte Einheit. Der Begriff "berechnen" betrifft die indirekte Bestimmung der Größe einer bestimmten Menge auf der Basis einer Theorie.
Der Erfinder hat auch gefunden, dass der saure Ablass, der ein pH von 4 besitzt, auf etwa pH 5 innerhalb der Abwassernormen (pH 5–9) neutralisiert werden kann, beträgt das Verhältnis von Leitungswassermenge zu erzeugter Ablassmenge 2,0 oder mehr. Wird das Verhältnis auf 6,0 erhöht, kann der Ablass auf pH 6 genügend neutralisiert werden. Der Erfinder hat zudem gefunden, dass das Verhältnis von Leitungswasser zu erzeugter Ablassmenge und damit die Menge an verwendetem Leitungswasser nicht weiter erhöht werden muss. Die Neutralisiervorrichtung kann daher das Verhältnis von Leitungswassermenge zu erzeugter Ablassmenge, die von der Messvorrichtung gemessen wird, im Bereich von 2,0 bis 6,0 regeln.
Die Verbrennungsvorrichtung umfasst bevorzugt ein Abzweigungsrohr, das vom Wasserzulaufrohr abzweigt und in das Wasserablassrohr einmündet, wobei die Neutralisiervorrichtung eine Fließrate-Steuervorrichtung zur Steuerung der Wasserdurchflussrate durch das Abzweigungsrohr aufweist.
Bei dieser Anordnung wird kein Tank zur Aufbewahrung von Leitungswasser für die Neutralisierung des Ablasses benötigt. Daher Kann die Verbrennungsvorrichtung kompakt gestaltet werden. Außerdem muss bei der Installation der Verbrennungsvorrichtung kein Leitungswasserrohr für den Zulauf von Leitungswasser für die Neutralisation des Ablasses mit einer vom Wasserzulaufrohr getrennten Wasserquelle verbunden werden.
Zur angemessenen Steuerung der Leitungswassermenge, die zur Neutralisation des Ablasses mit diesem gemischt werden soll, muss die erzeugte Ablass menge genau gemessen werden. Weil die Ablassmenge in Abhängigkeit von der Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme bestimmt wird, kann die Ablassmenge bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme gemessen werden. Insofern, als die Menge an Verbrennungswärme durch die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge und das Verhältnis der Menge an Verbrennungsluft zur Brennstoffmenge bestimmt wird, kann die Ablassmenge zudem bezogen auf dieses Verhältnis gemessen werden. Wird die Menge an Verbrennungswärme des Brenners in einem Rückkopplungsverfahren gesteuert, so dass die Temperatur des heißen Ablaufwassers mit der Solltemperatur des heißen Ablaufwassers übereinstimmt, kann die Ablassmenge bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme gemessen werden. Wird die Menge an Verbrennungswärme zur besseren Steuerungsgenauigkeit im Hinblick auf Messfehler der Wassermenge, der Zulaufwassertemperatur und der Temperatur des heißen Ablaufwassers korrigiert, kann die Ablassmenge bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme gemessen werden.
Vorzugsweise umfasst die Verbrennungsvorrichtung zudem Verbrennungssteuervorrichtungen, welche die Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme steuern, wobei die Messvorrichtung Vorrichtungen zum Messen der erzeugten Ablassmenge bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme umfassen, die von der Verbrennungssteuervorrichtung gesteuert wird.
Vorzugsweise umfasst die Verbrennungssteuervorrichtung Regelvorrichtungen für die Brennstoffzufuhr, welche die Brennstoffrate regeln, die dem Brenner zugeleitet wird, und Verbrennungsluft-Regelvorrichtungen zum Einstellen des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brennstoffrate, die dem Brenner zugeleitet wird, so dass die Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme geregelt wird.
Die Verbrennungsvorrichtung umfasst zudem bevorzugt Wasserfluss-Messvorrichtungen zum Messen der Wasserflussrate durch das Wasserzulaufrohr, Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtungen zum Messen der Temperatur des zulaufenden Wassers im Wasserzulaufrohr stromaufwärts des Wärmetauschers und Temperaturmessvorrichtungen für das heiße Ablaufwasser zum Messen der Temperatur des heißen Ablaufwassers stromabwärts des Wärmetauschers, Heißwassertemperatur-Einstellvorrichtungen zum Einstellen einer Solltemperatur für das heiße Ablaufwasser, wobei die Verbrennungssteuervorrichtung umfasst: Vorrichtungen zum Regeln der Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme in Abhängigkeit von der von der Wasserfluss-Messvorrichtung gemessenen Wasserrate, der von der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung gemessenen Temperatur des Zulaufwassers und der von der Heißwassertemperatur-Einstellvorrichtung eingestellten Solltemperatur des heißen Ablaufwassers und zum Steuern der Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme, so dass der Unterschied zwischen der Temperatur des heißen Ablaufwassers, die von der Temperaturmessvorrichtung für das heiße Ablaufwasser gemessen wird, und der Solltemperatur für das heiße Ablaufwasser, die von der Heißwassertemperatur-Einstellvorrichtung vorgegeben wird, kleiner wird.
Die Verbrennungssteuervorrichtung umfasst vorzugsweise Verbrennungskorrekturvorrichtungen zum Korrigieren der Verbrennungswärmemenge in Abhängigkeit vom Messfehler der Wasserfluss-Messvorrichtung, der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung oder der Temperaturmessvorrichtung für das heiße Ablaufwasser.
Mit einer variablen durch den Brenner erzeugten Verbrennungswärmemenge variiert auch die erzeugte Ablassmenge. Es besteht aber eine gewisse Zeitverzögerung, bis nach einer Veränderung der Verbrennungswärmemenge die erzeugte Ablassmenge variiert. Daher sollte die Messvorrichtung vorzugsweise Vorrichtungen umfassen zum Messen einer Ablassmenge mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung von dem Zeitpunkt an, an dem die Verbrennungssteuervorrichtung die Menge der Verbrennungswärme steuert. Diese Anordnung beseitigt die oben genannten Nachteile und ermöglicht eine verlässliche Neutralisation des Ablasses.
Im folgenden wird beschrieben, wie die vom Brenner erzeugte Ablassmenge anhand der Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme gemessen wird. Ein Teil des durch Verbrennung im Brenner erzeugten Wasserdampfes wird im Wärmetauscher zu einem Ablass kondensiert. Der verbleibende Wasserdampf wird abgegeben, wie er im Abgas der Verbrennungsvorrichtung enthalten ist. Daher kann die im Wärmetauscher kondensierte Wassermenge, d.h. die erzeugte Ablassmenge, genau gemessen werden, indem die Menge abgegebener Wasserdampf von der Menge an erzeugtem Wasserdampf subtrahiert wird.
Die Menge an erzeugtem Wasserdampf wird in Abhängigkeit von der Menge an Verbrennungswärme bestimmt. Also kann die Menge an erzeugtem Wasserdampf gemessen werden und zwar bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme. Da die Menge an abgegebenem Wasserdampf in Abhängigkeit von der Abgastemperatur bestimmt wird, d.h. der Temperatur der Verbrennungsabgase, nachdem sie mit dem Wärmetauscher Wärme getauscht haben, kann zudem die Menge an abgegebenem Wasserdampf gemessen werden und zwar bezogen auf die Abgastemperatur. Weil die Abgastemperatur bestimmt wird in Abhängigkeit von der Temperatur der Verbrennungsabgase, bevor sie mit dem Wärmetauscher Wärme tauschen, und zudem vom Wärmetauschkoeffizienten des Wärmetauschers, kann die Abgastemperatur außerdem bezogen auf die Temperatur der Verbrennungsabgase und den Wärmetauschkoeffizienten des Wärmetauschers gemessen werden. Weil die Temperatur der Verbrennungsabgase in Abhängigkeit von der vom Brenner erzeugten Menge an Verbrennungswärme bestimmt wird, kann die Temperatur der Verbrennungsabgase bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme gemessen werden. Insofern, als der Wärmetauschkoeffizient in Abhängigkeit von der Temperatur des Zulaufwassers bestimmt wird, kann der Wärmetauschkoeffizient bezogen auf die Temperatur des Zulaufwassers korrigiert werden, so dass die Abgastemperatur genauer gemessen werden kann.
Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung Messvorrichtungen für die Menge an erzeugtem Wasserdampf, welche die Menge an Wasserdampf messen, die bei der Verbrennung im Brenner erzeugt wird, Messvorrichtungen für die Menge an abgegebenem Wasserdampf, welche die Menge an Wasserdampf messen, die mit dem Abgas abgegeben wird, und Vorrichtungen zum Messen der Ablassmenge, indem die Menge an abgegebenem Wasserdampf, gemessen von der Messvorrichtung für die Menge an abgegebenem Wasserdampf, subtrahiert wird von der Menge an erzeugtem Wasserdampf, die von der Messvorrichtung für die Menge an erzeugtem Wasserdampf gemessen wird.
Die Verbrennungsvorrichtung umfasst zudem vorzugsweise Verbrennungssteuervorrichtungen zur Steuerung der Menge Verbrennungswärme, die vom Brenner erzeugt wird, wobei die Messvorrichtung für die Menge an erzeugtem Wasserdampf Vorrichtungen umfasst zum Messen der Menge an erzeugtem Wasserdampf und zwar bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme, die von der Verbrennungssteuervorrichtung gesteuert wird.
Die Messvorrichtung für die Menge an erzeugtem Wasserdampf umfasst vorzugsweise Messvorrichtungen für die Abgastemperatur, die die Temperatur des Abgases messen, und Vorrichtungen zum Messen der Menge an abgegebenem Wasserdampf und zwar bezogen auf die Abgastemperatur, die von der Messvorrichtung für die Abgastemperatur gemessen wird.
Die Messvorrichtung für die Abgastemperatur umfasst vorzugsweise Messvorrichtungen für die Temperatur der Verbrennungsabgase, welche die Temperatur der Verbrennungsabgase messen, und Vorrichtungen zum Messen der Abgastemperatur und zwar bezogen auf die Temperatur der Verbrennungsabgase, die von der Messvorrichtung für die Temperatur der Verbrennungsabgase gemessen wird, und den Wärmeaustauschkoeffizienten des Wärmetauschers.
Die Temperaturmessvorrichtung für die Verbrennungsabgase umfasst vorzugsweise Vorrichtungen zum Messen der Temperatur der Verbrennungsabgase und zwar bezogen auf die vom Brenner erzeugte Menge an Verbrennungswärme.
Die Temperaturmessvorrichtung für die Verbrennungsabgase umfasst vorzugsweise Temperaturmessvorrichtungen für das Zulaufwasser, welche die Temperatur des Zulaufwassers im Wasserzulaufrohr stromaufwärts des Wärmetauschers messen, und Korrekturvorrichtungen für den Wärmetauschkoeffizienten, welche den Wärmetauschkoeffizienten des Wärmetauschers korrigieren und zwar bezogen auf die Temperatur des Zulaufwassers, die von der Temperaturmessvorrichtung für das Zulaufwasser gemessen wird.
Die derart angeordnete Verbrennungsvorrichtung kann die erzeugte Ablassmenge messen, so dass die Menge an Leitungswasser angemessen gesteuert werden kann, die mit dem Ablass gemischt werden soll, so dass der Ablass zuverlässig neutralisiert wird.
Damit die Erfindung besser verstanden und ein Weg aufgezeigt werden kann, wie sie in die Tat umgesetzt werden kann, wird nachfolgend beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigt/zeigen:
1 eine schematische Ansicht, teilweise in Form eines Blockdiagramms, einer Zulaufvorrichtung für heißes Wasser nach einer Ausführungsform der Erfindung,
2(a) und 2(b) Diagramme einer gesteuerten Menge der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser nach einer Ausführungsform der Erfindung,
3 ein Fließschema eines Verfahrens zum Messen der Ablassmenge, die von der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser nach einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird,
4 ein Diagramm, das die Fähigkeit von Leitungswasser zur Neutralisation des Ablasses zeigt,
5 ein Fließschema eines Verfahrens zum Messen der Ablassmenge, die von der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird,
6 eine schematische Ansicht, teilweise in Form eines Blockdiagramms, einer herkömmlichen Zulaufvorrichtung für heißes Wasser.
Siehe 1: Ein Zulaufvorrichtung für heißes Wasser als Verbrennungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Wasserzulaufrohr 1, einen Brenner 2, einen ersten Wärmetauscher 3, der sich oberhalb des Brenners 2 befindet, einen zweiten Wärmetauscher 4 (erfindungsgemäßer Wärmetauscher), der sich oberhalb des ersten Wärmetauschers 3 befindet, ein Wasserablassrohr 6 zum Ablassen von Wasser als Ablass, das im zweiten Wärmetauscher 4 kondensiert ist und von einer Auffangvorrichtung 5 unterhalb des zweiten Wärmetauschers 4 gesammelt wird, und einen Regler 7 zur Steuerung des Betriebs der Verbrennungsvorrichtung.
Ein Wasserhahn 8 ist mit dem Wasserzulaufrohr 1 nahe seinem Auslass verbunden. Der Wasserhahn 8 kann vom Benutzer manuell bedient werden, so dass das Wasserzulaufrohr 1 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann. Das Wasserzulaufrohr 1 verläuft in Kontakt mit einer Außenwand einer Brennkammer 9, die den Brenner 2 umgibt, dann durch den zweiten Wärmetauscher 4 und durch den ersten Wärmetauscher 3. Ein Abzweigungsrohr 10 zweigt vom Wasserzulaufrohr 1 stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 4 ab und mündet in das Wasserablassrohr 6. Das Abzweigungsrohr 10 hat ein Fließ-Steuerventil 11, mit dem die Öffnung des Abzweigungsrohrs 10 eingestellt werden kann. Das Wasserzulaufrohr 1 ist versehen mit einer Wasserfluss-Messvorrichtung 12 stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 4 zum Messen der Wasserflussrate durch das Rohr, einer Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung 13 zum Messen der Temperatur des zulaufenden Wasser im Wasserzulaufrohr 1 stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 4 und einer Temperaturmessvorrichtung für das heiße Ablaufwasser 14 zum Messen der Temperatur des heißen Ablaufwassers im Wasserzulaufrohr 1 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 3.
Ein Gaszuströmrohr 15 ist mit dem Brenner 2 verbunden und mit einem magnetbetriebenen Hauptventil für zuströmendes Gas 16 und einen Gassteuerventil 17 zum Einstellen der dem Brenner 2 zugeleiteten Gasmenge ausgestattet. Ein Verbrennungslüfter 18 ist mit dem Brenner 2 verbunden, so dass dem Brenner 2 Verbrennungsluft zugeführt werden kann.
Der Regler 7 hat eine Verbrennungssteuervorrichtung 19, welche die Menge der vom Brenner 2 erzeugten Verbrennungswärme steuert, eine Messvorrichtung 20, welche die Menge an erzeugtem Ablass aus der vom Brenner 2 erzeugten Menge an Verbrennungswärme berechnet, die von der Verbrennungssteuervorrichtung 19 gesteuert wird, und eine Neutralisiervorrichtung 21 zur Neutralisierung des Ablasses. Die Verbrennungssteuervorrichtung 19 umfasst eine Verbrennungskorrekturvorrichtung 22. Die Verbrennungskorrekturvorrichtung 22 speichert Korrekturdaten in Abhängigkeit von Messfehlern der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung 13 und der Temperaturmessvorrichtung 14 für das heiße Ablaufwasser, und korrigiert die vom Brenner 2 erzeugte Menge an Verbrennungswärme und zwar bezogen auf die Korrekturdaten. Auf der Basis vorläufiger Informationen, die zeigen, dass der Messfehler der Wasserfluss-Messvorrichtung 12 stetig 5% beträgt, werden die Korrekturdaten derart festgelegt, dass die Menge an Verbrennungswärme in einer Richtung korrigiert wird, welche die Wirkung dieses Messfehlers verringert.
Der Betrieb der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser wird im folgenden anhand von 1 bis 3 beschrieben. Der Benutzer bedient manuell den Wasserhahn 8 und lässt Leitungswasser in das Wasserzulaufrohr 1 fließen. Fließt das Wasser mit einer höheren Fließrate als ein vorbestimmter Wert, der von der Wasserfluss-Messvorrichtung 12 gemessen wird, schaltet die Verbrennungssteuervorrichtung 19 den Verbrennungslüfter 18 ein. Die Verbrennungssteuervorrichtung öffnet das magnetbetriebene Hauptventil für zuströmendes Gas 16 und ermöglicht einem Zünder (nicht gezeigt) das Zünden des Brenners 2, der mit dem Verbrennen des Gases beginnt, das von dem Gaszuströmrohr 15 zugeleitet wird. Die Verbrennungssteuervorrichtung 19 regelt das Öffnen des Gassteuerventils 17 und die Rotationsgeschwindigkeit des Verbrennungslüfters 18, so dass die Menge Q der vom Brenner 2 erzeugten Verbrennungswärme nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren gesteuert wird. Die Öffnung des Gassteuerventils 17 wird eingestellt, wird dem Gassteuerventil 17 ein Antriebsstrom I im Bereich von I_min bis I_max in Abhängigkeit von der im Bereich Q_max bis Q_max geregelten Menge an Verbrennungswärme Q zugeführt, siehe 2(a).
Siehe 3: Die Verbrennungssteuervorrichtung 19 regelt die Menge Q der vom Brenner 2 erzeugten Verbrennungswärme und zwar bezogen auf die von der Wasserfluss-Messvorrichtung 12 gemessene Wasserrate, die von der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung 13 gemessene Temperatur des Zulaufwassers und die vom Benutzer in SCHRITT 1 eingestellte Solltemperatur des heißen Ablaufwassers. Dann korrigiert im SCHRITT 2 die Verbrennungskorrekturvorrichtung 22 bezogen auf die Korrekturdaten die Menge Q der Verbrennungswärme in eine derartige Richtung, dass die Wirkung von Messfehlern der Wasserfluss-Messvorrichtung 12 und der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung 13 kleiner wird. In SCHRITT 3 regelt dann in einer Rückkopplungsschleife die Verbrennungssteuervorrichtung 19 die Menge Q der Verbrennungswärme, so dass die Temperatur des heißen Ablaufwassers, die von der Temperaturmessvorrichtung 14 für das heiße Ablaufwasser gemessen wird, und die Solltemperatur für das heiße Ablaufwasser gleich werden. Der Benutzer kann jetzt heißes Wasser erhalten, dass die vom Benutzer eingestellte Solltemperatur für das heiße Ablaufwasser besitzt.
Mit steigender Temperatur des durch das Wasserzulaufrohr 1 fließenden Wassers verringert das Verbrennungsabgas des Brenners 2 seine Temperatur aufgrund von Wärmetausch mit dem ersten Wärmetauscher 3. Anschließend verringert es seine Temperatur weiter aufgrund von Wärmetausch mit dem zweiten Wärmetauscher 4. Wegen des Temperaturabfalls im Abgas wird ein im Verbrennungsabgas des Brenners 2 enthaltener Wasserdampf im zweiten Wärmetauscher 4 kondensiert, fällt in die Auffangvorrichtung 5 und wird über das Wasserablassrohr 6 von der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser als Ablass abgelassen. Der Ablass ist sauer aufgrund von Stickoxiden (NOx) usw., die im Verbrennungsabgas enthalten sind.
Ein Verfahren zur Neutralisation des Ablasses in der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser ist im folgenden anhand der 2 und 3 beschrieben. Die Messvorrichtung 20 misst die erzeugte Ablassmenge V in Abhängigkeit von der Menge Q der Verbrennungswärme in SCHRITT 4. Genauer gesagt, multipliziert die Messvorrichtung 20 für die Ablassmenge die Ablassmenge, die pro Einheitsmenge der Verbrennungswärme erzeugt wird, die in Abhängigkeit vom Gastyp bestimmt wurde, mit der Menge Q der Verbrennungswärme, so dass die erzeugte Ablassmenge V gemessen wird. Aus der erzeugten Ablassmenge V bestimmt dann in SCHRITT 5 die Neutralisiervorrichtung 21 die Leitungswassermenge W, die mit dem Ablass gemischt werden muss. Die Neutralisiervorrichtung 21 steuert dann in SCHRITT 6 den Antriebsstrom i für das Fließ-Steuerventil 11 im Bereich von i_min bis i_max in Abhängigkeit von der Leitungswassermenge W und zwar bezogen auf die in 2(b) gezeigte Beziehung. Die in 2(b) gezeigte Beziehung zwischen der Menge Q der Verbrennungswärme und der Leitungswassermenge W wird derart bestimmt, dass das Verhältnis der Leitungswassermenge W zur erzeugten Ablassmenge V im Bereich von 2,0 bis 6,0 liegt. Ersatzweise kann das Fließ-Steuerventil 11 durch ein magnetbetriebenes Ein-Aus-Ventil ersetzt werden, dass am Abzweigungsrohr 10 bereitgestellt wird. Die Neutralisiervorrichtung 21 kann das Verhältnis (Einschaltverhältnis) von Ventilöffnungsdauer zu Steuerzeitraum (z.B. 30 Sekunden) steuern, so dass die Leitungswassermenge gesteuert werden kann, die mit dem Ablass gemischt werden soll.
Das Einstellen der Öffnung des Fließ-Steuerventils 11 erfolgt mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung vom Einstellen der Öffnung des Gassteuerventils 17. Genauer gesagt, misst die Messvorrichtung 20 zuerst die erzeugte Ablassmenge V aus der Menge Q der Verbrennungswärme. Nach Verstreichen einer bestimmten Zeit liefert sie dann die gemessene Ablassmenge V an die Neutralisiereinheit 21. Die Zeitverzögerung wird im Hinblick auf die Zeitverzögerung eingeführt, die verursacht wird, nachdem Wasserdampf in Abhängigkeit von der Verbrennungswärmemenge Q erzeugt wird, bis er im zweiten Wärmetauscher 4 kondensiert und als Ablass abgelassen wird. Die Öffnung des Fließ-Steuerventils 11 kann aber ohne Zeitverzögerung gesteuert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Zulaufvorrichtung für heißes Wasser kann das Verhältnis der Leitungswassermenge W zur erzeugten Ablassmenge V durch die Neutralisiervorrichtung 21 im Bereich zwischen 2,0 und 6,0 geregelt werden, so dass der saure Ablass genügend neutralisiert werden und Abwassernormen erfüllen kann. 4 zeigt das Ergebnis eines Experiments, dass der Erfinder zur Bestätigung der Neutralisation des sauren Ablasses durchführte. Bei dem Experiment wurde Ablass mit pH 4 in einer Rate von 20 ml/min erzeugt. pH-Veränderungen wurden gemessen, wurden Leitungswasser (Quadrate), alkalisches Wasser (Rauten) und reines Wasser (Dreiecke) in allmählich steigenden Raten mit dem Ablass gemischt.
Siehe 4: Wird alkalisches Wasser verwendet, wird der pH zu alkalisch und übersteigt möglicherweise den Bereich von pH 5 bis pH 9, der den Umweltnormen entspricht. Deshalb eignet sich alkalisches Wasser nicht zur Neutralisation des Ablasses. Wird reines Wasser verwendet, verbleibt der pH des Ablasses bei etwa 5 und verändert sich sogar dann nicht, wird die Menge an eingemischtem reinem Wasser erhöht. Daher hat reines Wasser eine schlechte Neutralisierwirkung. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass reines Wasser durch Absorption von Kohlendioxid aus der Luft mit der Zeit sauer wird.
Wird Leitungswasser verwendet, wird der pH im Gegensatz zu alkalischem Wasser nicht zu alkalisch. Leitungswasser hat eine bessere Neutralisationswirkung als reines Wasser. Leitungswasser zeigt seine Neutralisierfähigkeit wahrscheinlich deshalb, weil es aufgrund von im Quellwasser enthaltenem Natriumcarbonat und dergleichen Hydroxidionen (OH^–) enthält. Beträgt das Verhältnis von Leitungswasser zu erzeugter Ablassmenge 2,0 oder mehr, kann es den Ablass bis auf einen Bereich von pH 5 bis pH 9 neutralisieren, der Umweltnormen erfüllt. Wird das Verhältnis von Leitungswasser zu erzeugter Ablassmenge auf 6,0 erhöht, wird der pH des Ablasses etwa 6, so dass der Ablass genügend neutralisiert ist. Das Verhältnis von Leitungswasser zu erzeugter Ablassmenge und damit die verbrauchte Leitungswassermenge müssen nicht weiter erhöht werden. Also sollte das Verhältnis von Leitungswasser zu erzeugter Ablassmenge 6,0 oder weniger betragen.
Die erfindungsgemäße Zulaufvorrichtung für heißes Wasser kann den Ablass neutralisieren, indem einfach Wasser vom Wasserzulaufrohr 1 über das Abzweigungsrohr 10 in das Wasserablassrohr 6 abgezweigt wird. Daher benötigt die Zulaufvorrichtung für heißes Wasser keinen Vorratstank, der ansonsten zur Aufbewahrung eines flüssigen Neutralisiermittels, wie einer alkalischen Lösung oder dergleichen, nötig wäre. Die Zulaufvorrichtung für heißes Wasser kann kompakt gestaltet werden und muss nicht mühsam regelmäßig mit dem flüssigen Neutralisiermittel aufgefüllt werden.
Die Verbrennungssteuervorrichtung 19 steuert zudem in einer Rückkopplungsschleife die Menge Q der Verbrennungswärme, wobei die Messfehler der Wasserfluss-Messvorrichtung 12 usw. und die Wirkung des Verhältnisses der Verbrennungsluftmenge zur Menge an zuströmendem Gas beseitigt werden. Folglich wird die erzeugte Ablassmenge V, die bezogen auf die Menge Q der Verbrennungswärme gemessen wird, ohne diese Messfehler als solche genau erhalten. So wird die zur Neutralisation des Ablasses erforderliche Leitungswassermenge W angemessen gesteuert.
Bei der obigen Ausführungsform ist das Verfahren zur Neutralisation des Ablasses von der Zulaufvorrichtung für heißes Wasser beschrieben. Das obige Verfahren zur Neutralisation des Ablasses kann aber auf alle Typen der Verbrennungsvorrichtungen angewendet werden, wie Heizboiler, die aufgrund von Verbrennung eines Brennstoffes in einem Brenner einen sauren Ablass in einem Wärmetauscher erzeugen.
Bei der obigen Ausführungsform misst die Messvorrichtung 20 die erzeugte Ablassmenge V in Abhängigkeit von der Menge der Verbrennungswärme nach einem vorbestimmten Algorithmus. Nach einer anderen Ausführungsform misst die Messvorrichtung 20 die erzeugte Ablassmenge wie folgt: Das in 3 gezeigte Vorgehen in SCHRITT 4 wird durch das in 5 dargestellte Vorgehen SCHRITT 4-1 bis SCHRITT 4-5 zur Messung der erzeugten Ablassmenge ersetzt. Das alternative Verfahren zur Messung der erzeugten Ablassmenge V ist im folgenden anhand von 5 beschrieben.
Wird die pro Einheitsmenge an Verbrennungswärme im Brenner 2 erzeugte Wasserdampfmenge durch V dargestellt, wird die Wasserdampfmenge V₁, die erzeugt wird, wird Gas im Brenner 2 verbrannt, aus der Menge Q der Verbrennungswärme, die durch die Verbrennungssteuervorrichtung 19 gesteuert wird, nach der folgenden Gleichung (1) im SCHRITT 4–1 gemessen: V1 = k · Q (1)wobei k je nach dem Typ des Brennstoffs variiert, der vom Brenner 2 verwendet wird.
Werden die Raumtemperatur durch T, die spezifische Wärme des Abgases durch C, die Massenflussrate des Brennstoffs durch W_f und die Massenflussrate der Luft durch W_a dargestellt, wird die Temperatur T₁ der Verbrennungsabgase des Brenners 2 nach der folgenden Gleichung (2) in SCHRITT 4–2 gemessen: T1 = T + Q/{C(Wf + Wa)} (2)
Die Temperatur T₁ der Verbrennungsabgase ist die Temperatur der Verbrennungsabgase, bevor sie mit dem ersten Wärmetauscher 3 und dem zweiten Wärmetauscher 4 Wärme tauschen.
Dann wird die Temperatur T₂ des Abgases aus der Temperatur T₁ der Verbrennungsabgase und dem Wärmetauschkoeffizienten η des ersten Wärmetauschers 3 und des zweiten Wärmetauschers 4 nach der folgenden Gleichung (3) in SCHRITT 4–3 gemessen: T2 = T1 – η(T1 – T) (3)
Die Temperatur T₂ der Verbrennungsabgase ist die Temperatur des Abgases, nachdem es mit dem ersten Wärmetauscher 3 und dem zweiten Wärmetauscher 4 Wärme tauscht. Der Wärmetauschkoeffizient η ist ein Parameter, der die Wärmemenge anzeigt, die der erste Wärmetauscher 3 und der zweite Wärmetauscher 4 aus den Verbrennungsabgasen entnehmen, und sie ist korrigiert, so dass sie umgekehrt proportional zur Zulaufwassertemperatur bestimmt wird.
Die mit dem Abgas abgegebene Menge an Wasserdampf V₂ wird unter Verwendung der Abgastemperatur T₂ und einer Temperatur-Dampf-Umwandlungstabelle in SCHRITT 4–4 gemessen.
Schließlich wird die erzeugte Ablassmenge V aus der erzeugten Wasserdampfmenge V₁ und der abgegebenen Wasserdampfmenge V₂ nach der folgenden Gleichung (4) in SCHRITT 4–5 gemessen: V = V1 – V2 (4)
Nach dem obigen Verfahren kann die erzeugte Ablassmenge V in Abhängigkeit von verschiedenen physikalischen Mengen dynamisch gemessen werden und zwar bezogen auf die Verbrennungswärmemenge Q.
Zwar sind bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und eingehend beschrieben worden, aber es sollte selbstverständlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verbrennungsvorrichtung, umfassend: eine Wasserzulaufrohr (1); einen Brenner (2); einen Wärmetauscher (3), der im Wasserzulaufrohr (1) angeordnet ist und mit dem Abgas des Brenners (2) Wärme tauscht, so dass die Wassertemperatur im Wasserzulaufrohr steigt; ein Wasserauslassrohr (6) zum Sammeln des Kondenswassers, das im Wärmetauscher (3) entsteht, wenn der Wärmetauscher mit dem Abgas des Brenners (2) Wärme tauscht, und zum Ablassen des gesammeltem Kondenswassers als Ablass; eine Rechenvorrichtung (20) zum Berechnen der erzeugten Ablassmenge; und Neutralisiervorrichtungen (21) zum Mischen von Wasser und Ablass, so dass dieser neutralisiert wird, wobei die von der Neutralisiervorrichtung zugemischte Wassermenge von der Ablassmenge abhängt, die die Rechenvorrichtung (20) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zudem eine Verbrennungssteuervorrichtung (19) vorhanden ist, welche die Menge der vom Brenner (2) erzeugten Verbrennungswärme steuert, wobei die Rechenvorrichtung Vorrichtungen aufweist zum Berechnen der erzeugten Ablassmenge und zwar bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme (Q), die von der Verbrennungssteuervorrichtung (19) gesteuert wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Neutralisiervorrichtung (21) Vorrichtungen umfasst zum Regeln des Verhältnisses von Wassermenge zu erzeugter Ablassmenge, die von der Rechenvorrichtung für einen Bereich von 2,0 bis 6,0 berechnet wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die zudem ein Abzweigungsrohr (10) umfasst, das sich zwischen dem Wasserzulaufrohr und dem Wasserablassrohr erstreckt, wobei die Neutralisiervorrichtung (21) eine Fließrate-Steuervorrichtung (11) zur Steuerung der Wasserdurchflussrate durch das Abzweigungsrohr aufweist.
Verbrennungsvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verbrennungssteuervorrichtung (19) Regelvorrichtungen für die Brennstoff zufuhr umfasst, welche die Brennstoffrate, die dem Brenner zugeführt wird, regeln; und Verbrennungsluft-Regelvorrichtungen zum Einstellen des Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brennstoffrate, die dem Brenner zugeführt wird, so dass die Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme (Q) geregelt wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, die zudem umfasst: Wasserfluss-Messvorrichtungen (12) zum Messen der Wasserflussrate durch das Wasserzulaufrohr (1); Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtungen (13) zum Messen der Temperatur des zulaufenden Wassers im Wasserzulaufrohr stromaufwärts des Wärmetauschers; und Ablaufwassertemperatur-Messvorrichtungen (14) zum Messen der Temperatur des ablaufenden Wassers stromabwärts des Wärmetauschers; Heißwassertemperatur-Einstellvorrichtungen zum Einstellen einer Solltemperatur für das ablaufende heiße Wasser; wobei die Verbrennungssteuervorrichtung (19) umfasst: Vorrichtungen zum Regeln der Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme (Q) in Abhängigkeit von der von der Wasserflussmessvorrichtung (12) gemessenen Wasserrate, der von der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung (13) gemessenen Temperatur des Zulaufwassers und von der von der Heißwassertemperatur-Einstellvorrichtung eingestellten Solltemperatur des heißen Ablaufwassers und zum Steuern der Menge der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme, so dass der Unterschied zwischen der Temperatur des heißen Ablaufwassers, die von der Messvorrichtung (14) für das heiße Ablaufwasser gemessen wird, und der Solltemperatur für das heiße Ablaufwasser, die von der Soll-Wassertemperatureinstellvorrichtung vorgegeben wird, kleiner wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verbrennungssteuervorrichtung (19) Verbrennungskorrekturvorrichtungen (22) umfasst zum Korrigieren der Verbrennungswärmemenge in Abhängigkeit vom Messfehler der Wasserflussmessvorrichtung (12), der Zulaufwassertemperatur-Messvorrichtung (13) oder der Temperaturmessvorrichtung (14) für das heiße Ablaufwasser.
Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Rechenvorrichtung (20) umfasst: Vorrichtungen zum Berechnen einer Ablassmenge (V) mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung von dem Zeitpunkt an, an dem die Verbrennungssteuervorrichtung die Menge der Verbrennungswärme steuert.
Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rechenvorrichtung (20) umfasst: Berechnungsvorrichtungen für die Menge an erzeugtem Wasserdampf, welche die Menge an Wasserdampf berechnen, die bei der Verbrennung im Brenner erzeugt wird; Berechnungsvorrichtungen für die Menge an abgegebenem Wasserdampf, welche die Menge an Wasserdampf berechnen, die mit dem Abgas abgegeben wird; und Vorrichtungen zum Berechnen der Ablassmenge (V), indem die Menge an abgegebenem Wasserdampf, errechnet von der Berechnungsvorrichtung für die Menge abgegebenem Wasserdampf, subtrahiert wird von der Menge an erzeugtem Wasserdampf, die von der Berechnungsvorrichtung für die Menge an erzeugtem Wasserdampf errechnet wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 8, die zudem umfasst: Verbrennungssteuervorrichtungen (19) zur Steuerung der Menge an Verbrennungswärme (Q), die vom Brenner erzeugt wird; wobei die Berechnungsvorrichtung für die Menge an erzeugtem Wasserdampf Vorrichtungen umfasst zum Berechnen der Menge an erzeugtem Wasserdampf und zwar bezogen auf die Menge an Verbrennungswärme, die von der Verbrennungssteuervorrichtung (19) gesteuert wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Berechnungsvorrichtung für die Menge an erzeugtem Wasserdampf umfasst: Messvorrichtungen für die Abgastemperatur, die die Temperatur des Abgases messen; und Vorrichtungen zum Berechnen der Menge an abgegebenem Wasserdampf und zwar bezogen auf die Abgastemperatur, die von der Messvorrichtung für die Abgastemperatur gemessen wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Messvorrichtungen für die Abgastemperatur umfasst: Messvorrichtungen für die Temperatur der Verbrennungsabgase, welche die Temperatur der Verbrennungsabgase messen; und Vorrichtungen zum Messen der Temperatur des Abgases bezogen auf die Temperatur der Verbrennungsabgase, die von der Temperaturmessvorrichtungen für das Verbrennunsabgas gemessen wird, sowie des Wärmetauschkoeffizienten des Wärmetauschers.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Temperaturmessvorrichtung für die Verbrennungsabgase umfasst: Vorrichtungen zum Messen der Temperatur des Verbrennungsabgases und zwar bezogen auf die von dem Brenner erzeugte Menge an Verbrennungswärme.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Temperaturmessvorrichtung für die Verbrennungsabgase umfasst: Temperaturmessvorrichtungen (13) für das Zulaufwasser, welche die Temperatur des Zulaufwassers im Wasserzulaufrohr stromaufwärts des Wärmetauschers messen; und Korrekturvorrichtungen für den Wärmetauschkoeffizienten, welche den Wärmetauschkoeffizienten des Wärmeaustauschers korrigieren und zwar bezogen auf die Temperatur des Zulaufwassers, die von der Temperaturmessvorrichtung für das Zulaufwasser gemessen wird.