DE60224547T2 - Wärmegebläseanordnung und verfahren zur steuerung eines gebläses - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gebläseanordnung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Gebläses sowie eine Stirlingmotoranordnung. Eine solche Anordnung ist aus der DE-C-199 36 591 bekannt.
  • Die Erfindung ist insbesondere ein häusliches kombiniertes Wärme- und Kraftsystem anwendbar, das einen Stirlingmotor enthält.
  • Bei einem solchen System wird ein Stirlingmotor von einem ersten Brenner erhitzt und ist mit einem Generator verbunden, um Elektrizität zu erzeugen. Die von dem Motor erzeugte Wärme, die ansonsten verschwendet würde, wird dazu benutzt, Wasser zu erwärmen, das die häuslichen Heißwasser- und Zentralheizungssysteme speist, und wird daher zu einem wertvollen Produkt des Zentralheizungssystems. Es ist aufgezeigt worden, wie man die günstigste Wirtschaftlichkeit für die Einheit dann erhält, wenn der Stirlingmotor/generator so bemessen ist, dass er angenähert 1 kW Elektrizität erzeugt. Auf diesem Niveau werden jedoch angenähert 5 kW Wärme erzeugt, was wesentlich unterhalb der typischen häuslichen Wärmebelastung liegt, die oberhalb vom 20 kW liegen kann. Um die restliche Wärme zuzuführen, sind notwendigerweise ein Zusatzgasbrenner und ein Wärmetauscher in der Gerätschaft enthalten, sodass die Zentralheizungseinheit mit der gegenwärtigen Spezifikation des häuslichen Kessels effizient mithalten kann. Um einer sich verändernden häuslichen Wärme und elektrischen Last zu genügen, werden die zwei Brenner moduliert und ein jeder kann zu jeder Zeit abgeschaltet werden. Abgas von den Brennern wird in einem gemeinsamen Sammler kombiniert. Es wird daher möglich, dass Verbrennungsprodukte von einem aktiven Brenner in einen ruhenden Brenner zurückfließen. Diese heißen Gase werden schließlich einen thermischen Schock auf Kühlerkomponenten ausüben, was Verschleiß, Beschädigung und einen potenziell katastrophalen Ausfall verursacht. Schlimmstenfalls könnten solche Rückströmungen dazu führen, dass Explosionszustände auftreten.
  • Um dieses Problem zu vermeiden, könnten die Gebläse der zwei Brenner allzeit in Betrieb gehalten werden. Jedoch wird die hierfür erforderliche Energie die Gesamteffizienz der Einheit reduzieren. Alternativ könnten die Strömungen durch die Gebläse übewacht werden und etwaige Änderungen in der Richtung der Gasströmungen könnten erfasst werden, sobald sie auftreten. Der herkömmliche Weg hierzu ist es, die Druckänderung zwischen zwei Punkten entlang dem Strömungsweg zu messen. Jedoch ist die hierfür erforderliche Ausrüstung relativ teuer und belegt wertvollen Raum in einer räumlich bereits beschränkten Umgebung.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Gebläseanordnung zum Zuführen von Brenngasen zu einem Brenner, ein Gebläse, ein Steuergerät zum selektiven Betreiben des Gebläses zum Zuführen der Gase zum Brenner im Gebrauch, sowie einen Temperatursensor, der angeordnet ist, um die Temperatur der durch das Gebläse hindurchtretenden Gase zu überwachen und der mit dem Steuergerät gekoppelt ist, eine weitere Wärmequelle mit einem Strömungsweg zu dem Gebläse, wodurch das Steuergerät angeordnet ist, um die Geschwindigkeit des Gebläses in Antwort darauf zu erhöhen, dass der Temperatursensor erfasst, dass die weitere Wärmequelle bewirkt hat, dass ein Parameter, der sich auf die Temperatur der durch das Gebläse hindurchtretenden Gase bezieht, oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
  • Durch Verwendung eines Temperatursensors anstatt eines Differenzdruckdetektors kann die Sensoranordnung billiger und kompakter gemacht werden.
  • Eine Option ist es, die Temperatur der Gase als den Parameter zu verwenden. Eine rasche Zunahmerate der Temperatur der durch das Gebläse hindurchtretenden Gase ist eine Charakteristik von Verbrennungsgasen, die durch ein Gebläse hindurch zurückströmen. Es ist daher zuverlässiger, die Anstiegsrate der Temperatur der Gase als den Parameter zu verwenden.
  • Wenn ein Gebläse langsam läuft und ein Rückfluss erfasst wird, wird das Steuergerät die Geschwindigkeit des Gebläses erhöhen. Jedoch wird im normalen Verlauf von Ereignissen die Geschwindigkeitszunahme die Form annehmen, das Gebläse aus dem Stand heraus anzufahren.
  • Unter bestimmten Umständen kann der Einlass eines nicht arbeitenden Brenners auf einer erhöhten Temperatur liegen, wegen der unvermeidbaren Konduktionserwärmung durch das Gehäuse benachbarter Komponenten eines aktiven Brenners. Da dieser Erwärmungseffekt allmählich ist, wird er keinerlei Wärmeschockeffekte hervorrufen und sollte keine ausreichend hohen Temperaturen erzeugen, die eine Gefahr der Gemisch-Vorzündung ergeben. Die einzige Konsequenz kann eine marginal höhere Temperatur im Einlass zum Brenner sein als im Brenner selbst. Unter Normalbetrieb wird ein Rückfluss durch den Einlasstemperaturanstieg erfassbar, welcher jenen in dem Brenner überschreitet, aber dies könnte unter Umständen nichtd der Fall sein, wenn dieser allmähliche Erwärmungseffekt auftritt. Daher gibt es unter diesen Umständen keinen Bedarf dahingehend, die Geschwindigkeit des Gebläses zu erhöhen. Wenn jedoch der allmähliche Erwärmungseffekt zu stark wird, sollte das Gebläse aktiviert werden, um den inaktiven Brenner zu kühlen. Daher ist bevorzugt das Steuergerät so angeordnet, dass es die Geschwindigkeit des Gebläses in Antwort darauf erhöht, dass der Temperatursensor eine Temperatur oberhalb eines Schwellenwerts erfasst, unabhängig von der Zunahmerate der Temperatur. Mit dieser Anordnung wird das Gebläse in Antwort auf allmähliche Erwärmungseffekte nicht aktiviert, solange nicht diese zu stark werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Gebläses zum Zuführen von Verbrennungsgasen zu einem Brenner das Erfassen der Temperatur von durch das Gebläse hindurchtretenden Gasen und das Erhöhen der Geschwindigkeit des Gebläses, wenn die Wärme von einer weiteren Wärmequelle auf das Gebläse übertragen worden ist, sodass ein erfasster Parameter, der sich auf die Temperatur der durch das Gebläse hindurchtretenden Gase bezieht, einen Schwellenwert überschreitet.
  • Die Erfindung kann auf jede Situation angewendet werden, wo ein Gebläse Brenngase einem Brenner zuführt. Jedoch ist sie besonders zur Verwendung mit der häuslichen Wärme- und Kraftanordnung, wie sie oben erwähnt ist, konstruiert worden.
  • Daher umfasst, gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Stirlingmotoranordnung einen Stirlingmotor, der durch einen ersten Brenner erwärmt wird, ein erstes Gebläse zum Zuführen von brennbaren Gasen zu dem ersten Brenner, einen Hilfsheizer, der durch einen zweiten Brenner erwärmt wird, ein zweites Gebläse zum Zuführen von brennbaren Gasen zu dem zweiten Brenner, worin Strömungswege von den ersten und zweiten Brennern in einem gemeinsamen Sammler kombiniert sind, einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der durch jedes Gebläse hindurchtretenden Gase sowie ein Steuergerät zum Erhöhen der Geschwindigkeit eines Gebläses, wenn dessen Temperatursensor erfasst, dass ein Parameter, der sich auf die Temperatur der Gase bezieht, oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
  • Der gemeinsame Sammler ist bevorzugt ein Wärmetauscher, der den Hilfsheizer bildet.
  • Ein Beispiel einer Gebläseanordnung und einer Stirlingmotoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
  • 1 ist ein schematischer Querschnitt der Stirlingmotoranordnung; und
  • 2 ist ein Graph der Temperatur gegen die Zeit, welcher das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Prinzip veranschaulicht.
  • Die Vorrichtung umfasst einen Stirlingmotor 1, dessen Kopf mit einer Serie von Rippen versehen ist, wie in unserer früheren mitanhängigen Anmeldung GB 0020012.1 offenbart. Brennbares Gas wird entlang einer Leitung 3 bereitgestellt und von einem ersten Gebläse 4 durch einen ersten Brenner 5 gefördert. Ein erster Temperaturdetektor 6 ist unmittelbar stromab des Gebläses 4 vorgesehen, um an diesem Punkt eine Gastemperatur zu erfassen. Ein Auslassverteiler 7 leitet die Wärme von dem Motor zum Wasserheizer 8.
  • Der Wasserheizer 8 wird primär von einem zweiten Brenner 9 herkömmlicher Konstruktion erhitzt. Dieser Brenner 9 wird von einem zweiten Gebläse 10 mit brennbaren Gasen versorgt. Ein zweiter Temperatursensor 11 ähnlich dem ersten Temperatursensor 6 ist unmittelbar stromab des zweiten Gebläses 10 vorgesehen. Ein Wendelrohr 12 mit Rippen 13 erstreckt sich durch den Wärmetauscher 8, um eine Wasserströmung zu führen. Dieses Wasser erhält hauptsächlich Wärme von dem zweiten Brenner 9, erhält aber auch Wärme von dem Abgas von dem Kamin 7. Die zwei Abgasströmungen werden in dem Wärmetauscher 8 kombiniert und durch gemeinsame Auslasssammler 14 ausgegeben.
  • In Abhängigkeit von der Wärmelast der Wohnung können das eine oder andere der Gebläse 4, 10 leerlaufen. Wenn das zweite Gebläse 10 leerläuft, kann das in den Wärmetauscher 8 eintretende Abgas von dem ersten Brenner 5 durch das zweite Gebläse 10 zurückfließen. Alternativ kann, wenn das erste Gebläse 4 leerläuft, Abgas von dem zweiten Brenner 9 durch das erste Gebläse 4 zurückfließen.
  • Die Abgase werden wesentlich heißer als die hereinkommenden Gase, die normalerweise von jedem Gebläse zu ihrem jeweiligen Brenner geblasen werden. Daher wird ein etwaiger Rückfluss der Abgase als Temperaturanstieg an entweder dem ersten oder zweiten Temperatursensor 6 oder 11 erfassbar.
  • 2 ist ein Graph der Temperatur gegen die Zeit, wie sie von jenem Temperatursensor 6, 11 eines ruhenden Gebläses erfasst wird. Der Graph gibt an, wie ein Steuergerät (nicht gezeigt) rechnet, wenn es das ruhende Gebläse einschaltet. Wenn immer der Temperatursensor erfasst, dass die Zunahmerate der Temperatur oberhalb eines Schwellenwerts (δTthresh) liegt, wird das Gebläse, unabhängig von der absoluten Temperatur, aktiviert. Dieser Bereich ist an dem Graph als Bereich A angegeben. Wenn die Zunahmerate der Temperatur unterhalb δTthresh liegt und die Temperatur unterhalb einer Schwellentemperatur Tcool liegt, wird das Gebläse nicht aktiviert. Dies ist in dem Graph durch den Bereich B veranschaulicht. Sobald jedoch die Temperatur über Tcool hinaus ansteigt, wird das Gebläse unabhängig von der Zunahmerate der Temperatur aktiviert. Dies ist in dem Graph durch den Bereich C veranschaulicht.
  • Wenn ein Rückfluss von einem Brenner durch ein Gebläse stattfindet, steigt die Temperatur rasch an (Bereich A) und das Gebläse wird aktiviert. Wenn ein Gebläse durch Konduktion durch das Gehäuse eines ruhenden Brenners erwärmt wird, dann wird eine langsame Erwärmungsrate angegeben (Bereich B) und das Gebläse wird nicht eingeschaltet, solange nicht die Temperatur zu hoch wird (Bereich C).

Claims (18)

  1. Gebläseanordnung zum Zuführen von Verbrennungsgasen zu einem Brenner (9, 5), wobei die Anordnung umfasst: ein Gebläse (4, 10), ein Steuergerät zum selektiven Betreiben des Gebläses zum Zuführen der Gase zu dem Brenner (9, 5) sowie einen Temperatursensor (6, 11), der angeordnet ist, um die Temperatur der durch das Gebläse (4, 10) hindurchtretenden Gase zu überwachen und der mit dem Steuergerät gekoppelt ist, eine weitere Wärmequelle (9, 5) mit einem Strömungsweg zu dem Gebläse (4, 10), wobei das Steuergerät angeordnet ist, um die Geschwindigkeit des Gebläses (4, 10) in Antwort darauf zu erhöhen, dass der Temperatursensor (6, 11) erfasst, dass die weitere Wärmequelle bewirkt hat, dass ein Parameter, der sich auf die Temperatur der durch das Gebläse (4, 10) hindurchtretenden Gase bezieht, oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
  2. Gebläseanordnung nach Anspruch 1, worin der Parameter eine Temperaturanstiegsrate ist.
  3. Gebläseanordnung nach Anspruch 1, worin der Parameter Temperatur ist.
  4. Gebläseanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das Steuergerät angeordnet ist, um das Gebläse aus dem Stand heraus zu starten.
  5. Gebläseanordnung nach Anspruch 2, worin das Steuergerät angeordnet ist, um die Geschwindigkeit des Gebläses in Antwort darauf zu erhöhen, dass der Temperatursensor eine Temperatur oberhalb eines Schwellenwerts erfasst, unabhängig von der Temperaturanstiegsrate.
  6. Gebläseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die weitere Wärmequelle eine zweite Gebläse- und Brenneranordnung ist.
  7. Verfahren zum Steuern/Regeln eines Gebläses zum Zuführen von Verbrennungsasen zu einem Brenner (5, 9), wobei das Verfahren umfasst: Erfassen der Temperatur von durch das Gebläse (4, 10) hindurchtretenden Gasen und Erhöhen der Geschwindigkeit des Gebläses, wenn Wärme von einer weiteren Wärmequelle (5, 9) auf das Gebläse (4, 10) übertragen worden ist, so dass ein erfasster Parameter, der sich auf die Temperatur der durch das Gebläse (4, 10) hindurchtretenden Gase bezieht, einen Schwellenwert überschreitet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, worin der Parameter eine Temperaturanstiegsrate ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, worin der Parameter Temperatur ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, worin ein Schritt der Erhöhung der Geschwindigkeit des Gebläses das Starten des Gebläses aus dem Stand heraus umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, das ferner den Schritt umfasst, die Geschwindigkeit des Gebläses zu erhöhen, wenn die Temperatur oberhalb eines Schwellenwerts liegt, unabhängig von der Temperaturanstiegsrate.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, worin die weitere Wärmequelle eine zweite Gebläse- und Brenneranordnung ist.
  13. Stirlingmotoranordnung, umfassend einen Stirlingmotor (9), der mit einem ersten Brenner (5) erhitzt wird, ein erstes Gebläse (14) zum Zuführen von brennbaren Gasen zu dem ersten Brenner (5), einen Hilfsheizer (8), der von einem zweiten Brenner (9) erhitzt wird, ein zweites Gebläse (10) zum Zuführen von brennbaren Gasen zwischen dem zweiten Brenner (9), worin Strömungswege von den ersten und zweiten Brennern in einem gemeinsamen Sammler (14) kombiniert werden, einen Temperatursensor (6, 11) zum Erfassen der Temperatur der durch jedes Gebläse (4, 10) hindurchtretenden Gase, sowie ein Steuergerät zum Erhöhen der Geschwindigkeit eines Gebläses, wenn dessen Temperatursensor erfasst, dass ein Parameter, der sich auf die Temperatur der Gase bezieht, oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
  14. Anordnung nach Anspruch 13, worin der Parameter eine Temperaturanstiegsrate ist.
  15. Anordnung nach Anspruch 13, worin der Parameter Temperatur ist.
  16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, worin das Steuergerät angeordnet ist, um das Gebläse aus dem Stand heraus zu starten.
  17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, worin der gemeinsame Sammler ein Wärmetauscher (8) ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 14, worin das Steuergerät angeordnet ist, um die Geschwindigkeit des Gebläses in Antwort darauf zu erhöhen, dass der Temperatursensor eine Temperatur oberhalb eines höheren Schwellenwerts erfasst, unabhängig von der Temperaturanstiegsrate.
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