DE68914121T2 - Automatic control method and device for a solid fuel boiler with interrupted loading and forced draft, especially for wood boilers. - Google Patents
Automatic control method and device for a solid fuel boiler with interrupted loading and forced draft, especially for wood boilers.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Festbrennstoff-Heizkessel mit unterbrochener Brennstoffladung und einem durch einen elektrischen Ventilator erzwungenen Zug und insbesondere Heizkessel dieser Art, welche mit Holz arbeiten und allgemein "Turboholz-Heizkessel" genannt werden.The invention relates to solid fuel boilers with intermittent fuel loading and a draught forced by an electric fan and in particular to boilers of this type which work with wood and are generally called "turbo wood boilers".
Diese Heizkessel unterscheiden sich von Heizkesseln mit natürlichem Zug darin, daß sie mit einem elektrischen Ventilator versehen sind, welcher meistens die zur Verbrennung notwendige Luft einbläst oder weniger häufig die Verbrennungsgase absaugt.These boilers differ from boilers with natural draught in that they are equipped with an electric fan, which usually blows in the air necessary for combustion or, less frequently, extracts the combustion gases.
Dieser Heizkesseltyp, dessen Erscheinen auf dem Markt noch relativ jung ist, siehe beispielsweise das Dokument DE-A-3 402 787, bietet allgemein den Vorteil, daß er merklich den Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert und es dem Benutzer ermöglicht, den Heizkessel entsprechend einem größeren Leistungsbereich zu betreiben. Zahlreiche Vergleichsversuche, welche insbesondere von der Agence Francaise de la Maitrise de L'Energie (AFME) unternommen wurden, haben die unbestreitbaren Vorteile bestätigt, welche durch den elektrischen Ventilator erbracht werden.This type of boiler, which has only recently appeared on the market - see for example the document DE-A-3 402 787 - generally offers the advantage of significantly improving combustion efficiency and allowing the user to use the boiler over a wider range of power. Numerous comparative tests, carried out in particular by the Agence Francaise de la Maitrise de L'Energie (AFME), have confirmed the undeniable advantages offered by the electric fan.
Leider konnte man auch zahlreiche Nachteile dieser Heizkessel feststellen, welche meistens in der Steuerung dieser nämlichen Ventilatoren liegen, welche von einem Elektromotor mit einer einzigen Geschwindigkeit angetrieben werden und folglich entweder ganz oder überhaupt nicht laufen, oder seltener mit zwei Geschwindigkeiten angetrieben werden, wobei sie entweder einzig einer Soll-Wassertemperatur folgen, welche durch einen in dem Wasserkreislauf der Zentralheizung angebrachten Thermostaten vorgegeben ist, oder bei anderen Typen lediglich einer Soll-Rauchtemperatur folgen, welche durch einen im Rauchgaskreislauf angebrachten Thermostaten vorgegeben ist.Unfortunately, there are also numerous disadvantages to these boilers, which mostly lie in the control of these same fans, which are driven by an electric motor at a single speed and therefore either run completely or not at all, or, more rarely, run at two speeds, either following only a target water temperature set by a thermostat installed in the central heating water circuit or, in other types, only following a target smoke temperature set by a thermostat installed in the flue gas circuit.
Im Falle von Heizkesseln mit Flüssigbrennstoff oder mit granuliertem bzw. pulverisiertem Brennstoff mit kontinuierlicher Zufuhr bedient man sich eines Umgebungsthermostaten, um durch mehr oder weniger kräftige Zufuhr von Brennstoff die Temperatur zu bestimmen, welche in dem zu beheizenden Raum herrscht, derart, daß die Leistung des Heizkessels beständig den Bedürfnissen des Benutzers folgt. Im Gegensatz dazu wird bei den Heizkesseln mit Festbrennstoff, wie etwa den Heizkesseln für Holz, dessen Brennstoffzufuhr notwendigerweise unterbrochen ist, die Leistung des Heizkessels entweder durch die Rauchgastemperatur oder durch die Wassertemperatur des Heizkörpers derart bestimmt, daß der eine oder der andere der beiden Temperaturfühler das Anhalten oder die Inbetriebnahme des Ventilators ganz oder gar nicht oder entsprechend einer diskreten Zahl von Regelzuständen veranlaßt, und dies unabhängig von der vorhandenen Brennstoffmasse. Da nun die momentane Leistung des Heizkessels abhängig von der mehr oder weniger harmonischen Mischung zwischen der durchströmenden Luft und dem in dem Heizkessel vorhandenen Brennstoff ist, erzeugen die Vorgänge, mit denen der Ventilator jeweils ganz oder gar nicht eingeschaltet wird, Schwankungen der Luftzufuhr, welche ihrerseits wiederum Leistungsschwankungen des Heizkessels zur Folge haben.In the case of liquid fuel boilers or boilers with granulated or powdered fuel with a continuous feed, an ambient thermostat is used to determine the temperature in the room to be heated by feeding more or less fuel so that the boiler's performance constantly follows the user's needs. In contrast, in the case of solid fuel boilers, such as wood boilers, whose fuel feed is necessarily interrupted, the boiler's performance is determined either by the flue gas temperature or by the water temperature of the radiator so that one or the other of the two temperature sensors causes the fan to stop or start completely or not at all or according to a discrete number of control states, regardless of the mass of fuel present. Since the instantaneous performance of the boiler depends on the more or less harmonious mixture between the air flowing through it and the fuel present in the boiler, the processes by which the fan is switched on completely or not at all produce fluctuations the air supply, which in turn leads to fluctuations in the performance of the boiler.
Daraus ergibt sich eine große Instabilität der Umgebungstemperatur des Wohnraums und eine schlechte Qualität der Verbrennung. Dies äußert sich in einem Anstieg des Kohlenmonoxids in Größenordnungen, welche gänzlich unvereinbar sind mit den Normen bezüglich Luftverschmutzung, oder in einer Verbrennung mit überschüssiger Luft. Außerdem beeinträchtigt die ständige Instabilität der Verbrennung die Lebensdauer des Heizkessels in Richtung auf ein mehr oder weniger verfrühtes Nutzungsende.This results in a great instability of the ambient temperature in the room and a poor quality of combustion. This is manifested by an increase in carbon monoxide to levels that are completely incompatible with the standards for air pollution, or by combustion with excess air. In addition, the constant instability of combustion affects the life of the boiler, leading to a more or less premature end of use.
Tatsächlich beobachtet man bei den Erkaltungsperioden der Flamme aufgrund eines Betriebes mit überschüssiger Luft im Inneren des Heizelementes die Bildung von Teer, welcher von der Kondensation von Bestandteilen herrührt, die von der Holzverbrennung stammen und die schnell das Stahlblech angreifen. Wenn umgekehrt es an Luft mangelt, erlebt man die Bildung von Rauchgasen und gasförmigen Rückständen, welche in die Atmosphäre abgestoßen werden, ebenso wie die Bildung von polyaromatischen Molekülen, von denen man all die Unzuträglichkeiten kennt.In fact, during periods of flame cooling, due to operation with excess air, tar is formed inside the heating element, resulting from the condensation of components from the combustion of wood, which quickly attack the steel sheet. Conversely, when there is a lack of air, fumes and gaseous residues are formed which are released into the atmosphere, as well as the formation of polyaromatic molecules, of which we know all the unpleasantness.
Allen Vorkehrungen zum Trotz, welche die Installateure treffen, um zu versuchen, die Unbequemlichkeit und die Instabilität der Verbrennung einzudämmen, beispielsweise durch Zurückführung des zurückkommenden Wassers in den Kreislauf, durch Unterdrückung des Eintritts von parasitischer Luft in den Heizkessel und durch Installation eines Dichtungskolbens zur Begrenzung der verzögerten Regelzustände, sind die Streitfälle zahlreich und spiegeln vollkommen die aktuelle Schwierigkeit wieder, einen Heizkessel mit Festbrennstoff der angegebenen Art in angemessener Weise zu regulieren.Despite all the measures taken by installers to try to limit the inconvenience and instability of combustion, for example by returning the returning water to the circuit, by preventing the entry of parasitic air into the boiler and by installing a sealing piston to limit the delayed regulation, the disputes are numerous and fully reflect the current difficulty of adequately regulating a solid fuel boiler of the type indicated.
Ziel der Erfindung ist es, die vorgennanten Nachteile auszuschalten, d.h., die Leistung der Flamme eines Festbrennstoff-Heizkessels und insbesondere eines Holz-Heizkessels, zu steuern, indem die svhwankenden Regelzustände unterdrückt werden und indem in besonderer Weise die Fälle eines Ausnahmebetriebs behandlt werden, welche auftreten können und welche die Qualität der Verbrennung dieser Art von Heizkessel beeinträchtigen, um so den Heizkessel an die strengsten Normen anzupassen und dabei ihm fehlerfrei Wirkungsweise und Lebensdauer zu gewährleisten, welche mit der Erwartung von Benutzern in Einklang steht, die um ein reglmäßiges und konstantes Niveau an Wärmekomfort besorgt sind.The aim of the invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, i.e. to control the flame power of a solid fuel boiler, and in particular a wood boiler, by suppressing the fluctuating control conditions and by dealing in a particular way with the cases of exceptional operation that may occur and which compromise the quality of combustion of this type of boiler, so as to adapt the boiler to the most stringent standards while guaranteeing it faultless operation and a long lifespan that is consistent with the expectations of users concerned about a regular and constant level of thermal comfort.
Die Erfindung beruht vor allem auf einem Verfahren zur automatischen Regelung für einen Festbrennstoff-Heizkessel mit unterbrochener Brennstoffladung und einem durch einen elektrischen Ventilator erzwungenen Zug, welche sich grundsätzlich dadurch auszeichnet:The invention is based primarily on a method for the automatic control of a solid fuel boiler with an intermittent fuel load and a draught forced by an electric fan, which is basically characterized by:
- daß der Ventilator mit wechselndem Regelzustand im Dauerbetrieb läuft,- that the fan runs in continuous operation with changing control status,
- daß die Regelung auf der gleichzeitigen Messung der Wassertemperatur des Heizkessels und der Temperatur der von diesem ausströmenden Rauchgase basiert, und- that the control is based on the simultaneous measurement of the water temperature of the boiler and the temperature of the flue gases emitted by it, and
-daß die Regelung in einer Normalbtriebsphase umfaßt:-that the regulation in a normal operating phase includes:
die Bestimmung einer theoretischen Rauchgastemperatur annähernd proportional zum Unterschied zwischen einer Solltemperatur und der gemessen Wassertemperatur,the determination of a theoretical flue gas temperature approximately proportional to the difference between a target temperature and the measured water temperature,
die Bestimmung eines theoretischen Regelzustandes des Ventilators annähernd proportional zum Unterschied zwischen der theoretischen Rauchgastemperatur und der gemessenen Rauchgastemperatur sowiethe determination of a theoretical control state of the fan approximately proportional to the difference between the theoretical flue gas temperature and the measured flue gas temperature and
die fortschreitende Anpassung des Regelzustandes des Ventilators durch Erhöhung oder Erniedrigung des diesem Regelzustand zugewiesenen Wertes entsprechend dem Vorzeichen des Unterschiedes zwischen dem theoretisch berechneten Regelzustand und dem aktuellen Regelzustand im Verlauf von aufeinanderfolgenden, durch eine Zeitverzögerung definierten Zyklen.the progressive adaptation of the control state of the fan by increasing or decreasing the value assigned to this control state according to the sign of the difference between the theoretically calculated control state and the current control state over the course of successive cycles defined by a time delay.
Tatsächlich können die beiden Proportionalitätskoeffizienten zeitlich oder entsprechend gemessenen Parametern veränderbar sein, um einer differenzierenden oder integrierenden Wirksamkeit der Regelung Rechnung zu tragen.In fact, the two proportionality coefficients can be varied over time or according to measured parameters in order to take into account a differentiating or integrating effectiveness of the control.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Funktionsphasen, welche sich automatisch aneinanderreihen, nämlichIn a preferred embodiment, the inventive method comprises several functional phases, which automatically follow one another, namely
- eine Zünd- oder Brennstoffladungsphase, welche automatisch beim Anlegen der Spannung und nach jedem Schließen der Ladungstüre, deren Öffnung über einen Kontakt erfaßt wird, eingeleitet wird, wobei diese Phase eine stark ansteigende Erhöhung des Regelwertes des Ventilators umfaßt, ausgehend von einem festgelegten Anfangswert und im Verlauf von aufeinanderfolgenden, durch eine Verzögerungszeit festgelegten Zyklen, wobei diese Zyklen entweder, wenn die Wassertemperatur einen bestimmten Wert übersteigt, oder wenn der Regelwert einen bestimmten Endwert übersteigt, den Übergang in die Normalbetriebsphase veranlassen,- an ignition or fuel loading phase which is initiated automatically when the voltage is applied and after each closing of the loading door, the opening of which is detected by a contact, this phase comprising a sharp increase in the control value of the fan, starting from a fixed initial value and over the course of successive cycles determined by a delay time, these cycles causing the transition to the normal operating phase either when the water temperature exceeds a certain value or when the control value exceeds a certain final value,
- die genannte Normalbetriebsphase, welche einerseits, wenn die Rauchgastemperatur einen sehr niedrigen Wert erreicht, vorsieht, den Ventilator vollständig anzuhalten, und andererseits, wenn der Unterschied zwischen dem theoretisch berechneten Regelwert und dem aktuellen Regelwert positiv ist und eine Erhöhung des Regelwertes bewirkt, vorsieht, die Rauchgastemperatur mit der im vorangehenden Zyklus gespeicherten Rauchgastemperatur zu vergleichen und automatisch den Übergang in eine Ausnahmebetriebsphase zu veranlassen, wenn diese Temperatur im Abnehmen ist, und- the said normal operating phase, which, on the one hand, when the flue gas temperature reaches a very low value, provides for the complete stopping of the fan and, on the other hand, when the difference between the theoretically calculated control value and the current control value is positive and causes an increase in the control value, provides for comparing the flue gas temperature with the flue gas temperature stored in the previous cycle and automatically causing the transition to an exceptional operating phase when this temperature is decreasing, and
- die genannte Ausnahmebetriebsphase, welche eine bedeutendere Erniedrigung des Regelwertes und eine bedeutendere Verzögerung vor der Rückführung in die Normalbetriebsphase für einen neuen Versuch vorsieht, wobei die Anzahl der Versuche auf einen festgelegten Wert begrenzt ist.- the abovementioned exceptional operating phase, which provides for a more significant reduction in the control value and a more significant delay before returning to the normal operating phase for a new attempt, the number of attempts being limited to a fixed value.
Natürlich umfaßt der erfindungsgemäße Heizkessel die notwendigen Elemente, insbesondere die Fühler für die Temperatur der Rauchgase und des Wassers, ebenso wie den Fühlerkontakt für den Schließzustand der Türe und ebenso einen Mikroprozessor, der die unterschiedlichen Daten empfängt und die Steuerung des Ventilators mit ständiger Veränderung des Regelwertes bewirkt, wobei dieser Mikroprozessor für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist.Naturally, the boiler according to the invention comprises the necessary elements, in particular the sensors for the temperature of the flue gases and the water, as well as the sensor contact for the closed state of the door and also a microprocessor which receives the various data and controls the fan with a constant variation of the control value, this microprocessor being programmed to carry out the method according to the invention.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines anhand der Zeichnung dargestellten Beispiels. Es zeigt:Further details of the invention emerge from the following description of an embodiment of an example illustrated with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung des Heizkessels,Fig. 1 is a schematic representation of an arrangement of the boiler,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Verknüpfung der verschiedenen Elemente undFig. 2 a block diagram of the connection of the various elements and
Fig. 3, 4 und 5 Flußdiagramme der Hauptphasen des Verfahrens.Fig. 3, 4 and 5 Flow diagrams of the main phases of the process.
Der in Fig. 1 dargestellte Heizkessel 1 umfaßt in üblicher Weise einen umgestülpten Feuerraum 2, welcher im Inneren des Heizelementes 3 angeordnet ist, das seinerseits ein Anschlußstück 4 für den Auslaß des Warmwassers und einen Wasserrücklauf 5 aufweist, wobei dieser Feuerraum 2 von einer im oberen Teil und vorderseitig am Gerät gelegenen Ladungstüre 6 aus mit Brennstoff versorgt wird, während sich an der Rückseite der Abzugskanal 7 befindet, der zum Abzug der Rauchgase mit erzwungenem Zug unter der Wirkung eines Ventilators 8 dient, der die Luft über eine obere Trennplatte 9 bläst.The boiler 1 shown in Fig. 1 comprises, in the usual way, an inverted combustion chamber 2 which is arranged inside the heating element 3, which in turn has a connection piece 4 for the outlet of the hot water and a water return 5, this combustion chamber 2 being supplied with fuel from a loading door 6 located in the upper part and at the front of the appliance, while at the rear there is the exhaust duct 7 which serves to extract the flue gases with forced draught under the action of a fan 8 which blows the air over an upper partition plate 9.
Erfindungsgemäß umfaßt der Heizkessel jeweils einen Fühler 10 zur Messung der Rauchgastemperatur in dem Abzugskanal 7, einen Fühler 11 zur Messung der Wassertemperatur in dem Heizelement, einen Kontakt zur Feststellung des Schließzustandes der Türe 6 sowie einen Elektromotor mit veränderlicher Geschwindigkeit zum Antrieb des Ventilators 8 wobei dieser Motor beispielsweise von einem gepulsten Strom angetrieben wird, welcher von einem Steuergehäuse 14 aus in der Leistung moduliert wird, das seinerseits auf oder in der Nähe des Heizkessels angeordnet ist und das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.According to the invention, the boiler comprises a sensor 10 for measuring the flue gas temperature in the exhaust duct 7, a sensor 11 for measuring the water temperature in the heating element, a contact for determining the closed state of the door 6 and an electric motor with variable speed for driving the fan 8, this motor being driven, for example, by a pulsed current, the power of which is modulated by a control housing 14, which in turn is arranged on or near the boiler and carries out the method according to the invention.
Zusätzlich zu den wesentlichen Elementen, als da sind der Fühler 10 für die Rauchgastemperatur, der Fühler 11 für die Wassertemperatur und der Kontakt 12 für die Türöffnung, kann der Heizkessel vorteilhaft noch einen Fühlerkopf 15, der ein in dem Gehäuse 14 zur Verfügung des Benutzers angeordnetes Ausdehnungsthermometer 16 steuert, einen Sicherheitsfühler 17, einen Knopf 18 zur Inbetriebnahme und zum Ausschalten, einen Knopf 19 zur Sicherheitsrückstellung und einen Knopf 20 für den Sollwert der Wassertemperatur umfassen, wobei alle diese Elemente zur Verfügung des Benutzers stehen.In addition to the essential elements, such as the sensor 10 for the flue gas temperature, the sensor 11 for the water temperature and the contact 12 for the door opening, the boiler can advantageously also have a sensor head 15, which has a expansion thermometer 16 located on the user's side, a safety sensor 17, a start-up and stop button 18, a safety reset button 19 and a water temperature setpoint button 20, all of which are at the user's disposal.
Das Gehäuse kann außerdem verschiedene weitere Organe zur alleinigen Verfügung des Installateurs aufweisen, beispielsweise einen Knopf 21 zur Regelung der Minimal- Rauchgastemperatur, einen Umschalter 22 für Handbetrieb und Automatik, welcher den Übergang auf Handbetrieb bei einem Eingriff in die elektronische Schaltung ermöglicht, sowie schließlich einen Vielfach-Steckverbinder 23, über den man ein Prüfgerät oder jedes andere Gerät zur Kontrolle oder zur Informationsgewinnung anschliessen kann.The housing may also include various other devices at the sole disposal of the installer, such as a button 21 for regulating the minimum flue gas temperature, a manual/automatic switch 22 which allows switching to manual mode in the event of intervention in the electronic circuit, and finally a multi-connector 23 which can be used to connect a test device or any other device for checking or obtaining information.
In dem Blockschaltbild von Fig. 2 findet man den Türkontakt 12, den Fühler 10 für die Rauchgastemperatur, den Fühler 11 für die Wassertemperatur, den Sicherheitsfühler 17, welcher den Sicherheitsblock 24 steuert, der seinerseits bei 25 den Netzanschluß aufnimmt und wiederum die allgemeine Stromversorgung 26 sicherstellt, wenn er über den Rückstellknopf 19 wieder eingeschaltet ist, wobei dieser Sicherheitsblock andererseits abschaltet, um unter der Wirkung des Fühlers 17 die Stromversorgung zu unterbrechen, wenn diese den Auftritt einer anormalen Temperatur feststellt; schließlich findet man dort noch den Umschalter 22 für Automatik/Handbetrieb.In the block diagram of Fig. 2, we find the door contact 12, the flue gas temperature sensor 10, the water temperature sensor 11, the safety sensor 17 which controls the safety block 24, which in turn receives the mains connection at 25 and in turn ensures the general power supply 26 when it is switched on again via the reset button 19, this safety block also switching off to interrupt the power supply under the action of the sensor 17 when it detects the occurrence of an abnormal temperature; finally, we find the automatic/manual mode switch 22.
Unter den für den Benutzer zugänglichen steuermöglichkeiten findet man auch noch den Ein-Aus-Knopf 18 und den Knopf 20 für die Soll-Wassertemperatur. Weiterhin befindet sich im Inneren des Gehäuses, d.h., für den Benutzer nicht zugänglich, der Knopf 21 für die Soll- Minimaltemperatur für die Rauchgase.Among the control options accessible to the user are the on/off button 18 and the button 20 for the desired water temperature. Furthermore, inside the housing, i.e. not accessible to the user, there is the button 21 for the desired minimum temperature for the flue gases.
Man findet weiterhin unter dem Bezugszeichen 27 den Zerhacker für die Steuerung des Motors 13 für den Ventilator 8.Also indicated under reference number 27 is the chopper for controlling the motor 13 for the fan 8.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Steuergehäuse 14 einen Mikroprozessor 28, welcher die unterschiedlichen Informationen über geeignete Schnittstellen empfängt, insbesondere über Analog/Digitalwandler 29, 30, 31 und 32, um die Analogwerte, welche von den Schnittstellen 33 und 34 zur Messung der Rauchgastemperatur und der Wassertemperatur sowie die von den Instrumenten 21 und 20 stammenden Sollwerte in Digitalwerte umsetzt. Das Bezugszeichen 35 bezeichnet den Eingang der vom Netz kommenden Zeitbasis für die Synchronisation des Zerhackers 27, das Bezugszeichen 36 die Steuerung für den Autotest.To carry out the method according to the invention, the control box 14 contains a microprocessor 28 which receives the various information via suitable interfaces, in particular via analog/digital converters 29, 30, 31 and 32, in order to convert the analog values coming from the interfaces 33 and 34 for measuring the flue gas temperature and the water temperature, as well as the setpoint values coming from the instruments 21 and 20, into digital values. The reference numeral 35 designates the input of the time base coming from the network for the synchronization of the chopper 27, the reference numeral 36 the control for the autotest.
Natürlich ist der Prozessor 28 so programmiert, daß er das erfindungsgemäße Verfahren durchführt, d.h. im wesentlichen die Bestimmung des Regelwertes Q, welcher dem Ventilator zuzuführen ist, und zwar in Abhängigkeit von verschiedenen Daten, im wesentlichen der Rauchgastemperatur TF, der Wassertemperatur TE, der Minimal- Soll-Rauchgastemperatur Cmf und der Soll-Wassertemperatur CE, sowie weiteren konstanten Werten, welche durch den Konstrukteur vorgegeben oder durch den Installator eingestellt sind.Of course, the processor 28 is programmed to carry out the method according to the invention, i.e. essentially the determination of the control value Q which is to be supplied to the fan, depending on various data, essentially the flue gas temperature TF, the water temperature TE, the minimum target flue gas temperature Cmf and the target water temperature CE, as well as other constant values which are specified by the designer or set by the installer.
Im folgenden wird angenommen, daß der Regelwert des Ventilators von einem digitalen Wert Q gesteuert wird, welcher diesen Regelwert in einer willkürlichen Einheit ausdrückt, derart, daß der Wert 100 dem maximalen Regelwert entspricht.In the following, it is assumed that the control value of the fan is controlled by a digital value Q, which expresses this control value in an arbitrary unit, such that the value 100 corresponds to the maximum control value.
Die Funktion der vollständigen Vorrichtung wird nun mit Bezug auf die Flußdiagramme der Fig. 3, 4 und 5 nachvollzogen.The function of the complete device is now understood with reference to the flow diagrams in Figs. 3, 4 and 5.
Das Programm P1 der Fig. 3 entspricht dem Zünden und der Brennstoffladung. Es wird im Moment des Anlegens der Spannung nach dem Wiedereinschalten eingeleitet oder auch nach einer Beladung mit Brennstoff nach dem Schließen der Ladungstür, deren Öffnungszustand durch den Kontakt 12 festgestellt wird. Während des Ablaufs dieser Betriebsphase wird die Wassertemperatur TE standig überwacht, und wenn diese 90ºC überschreitet, wird der Ventilator angehalten und es wird zum Hauptprogramm P2 gemäß Fig. 4 übergegangen. Solange jedoch diese Temperatur unterhalb von 90ºC bleibt, setzt sich das Programm aus drei nacheinander folgenden Perioden zusammen:The program P1 in Fig. 3 corresponds to the ignition and fuel loading. It is initiated at the moment of applying the voltage after switching on again or after loading with fuel after closing the loading door, the opening of which is detected by contact 12. During this operating phase, the water temperature TE is constantly monitored and if it exceeds 90ºC, the fan is stopped and the main program P2 is switched on, as shown in Fig. 4. However, as long as this temperature remains below 90ºC, the program is made up of three consecutive periods:
- der Betrieb mit einem Regelwert entsprechend einem auf einen geringen Anfangswert reduzierten Luftdurchsatz, als Q1 definiert, während beispielsweise 3 Minuten,- operation with a control value corresponding to an air flow rate reduced to a low initial value, defined as Q1, for example for 3 minutes,
- die fortschreitende Vergrößerung des Luftdurchsatzes bis zu einem Endwert, als Q2 definiert, entsprechend dem erlaubten Maximum für das Zünden, und zwar durch aufeinanderfolgende Erhöhungen des Wertes Q im Verlauf von Zyklen, welche durch eine Verzögerungszeit von 20 Sekunden in dem gewählten Beispiel definiert sind, und- the progressive increase of the air flow rate up to a final value, defined as Q2, corresponding to the maximum permitted for ignition, by successive increases of the value of Q during cycles defined by a delay time of 20 seconds in the example chosen, and
- der Betrieb mit diesem konstanten Luftdurchsatz entsprechend Q2, während beispielsweise 5 Minuten, wobei diese Zeit ebenso wie die vorher praktizierten 3 Minuten eventuell abgekürzt werden kann, wie oben angegeben, wenn die Wassertemperatur TE 90ºC überschreitet.- operation with this constant air flow rate corresponding to Q2, for example for 5 minutes, which time, like the 3 minutes previously used, can be shortened if necessary, as indicated above, if the water temperature TE exceeds 90ºC.
Die Funktion der vollständigen Vorrichtung wird nun mit Bezug auf die Flußdiagramme der Fig. 3, 4 und 5 nachvollzogen.The function of the complete device is now understood with reference to the flow diagrams in Figs. 3, 4 and 5.
Das Programm P1 der Fig. 3 entspricht dem Zünden und der Brennstoffladung. Es wird im Moment des Anlegens der Spannung nach dem Wiedereinschalten eingeleitet oder auch nach einer Beladung mit Brennstoff nach dem Schließen der Ladungstür, deren Öffnungszustand durch den Kontakt 12 festgestellt wird. Während des Ablaufs dieser Betriebsphase wird die Wassertemperatur TE ständig überwacht, und wenn diese 90ºC überschreitet, wird der Ventilator angehalten und es wird zum Hauptprogramm P2 gemäß Fig. 4 übergegangen. Solange jedoch diese Temperatur unterhalb von 90ºC bleibt, setzt sich das Programm aus drei nacheinander folgenden Perioden zusammen:The program P1 in Fig. 3 corresponds to the ignition and fuel loading. It is initiated at the moment of applying the voltage after switching on again or after loading with fuel after closing the loading door, the opening of which is detected by contact 12. During this operating phase, the water temperature TE is constantly monitored and if it exceeds 90ºC, the fan is stopped and the main program P2 is switched on, as shown in Fig. 4. However, as long as this temperature remains below 90ºC, the program is made up of three consecutive periods:
- der Betrieb mit einem Regelwert entsprechend einem auf einen geringen Anfangswert reduzierten Luftdurchsatz, als Q1 definiert, während beispielsweise 3 Minuten,- operation with a control value corresponding to an air flow rate reduced to a low initial value, defined as Q1, for example for 3 minutes,
- die fortschreitende Vergrößerung des Luftdurchsatzes bis zu einem Endwert, als Q2 definiert, entsprechend dem erlaubten Maximum für das Zünden, und zwar durch aufeinanderfolgende Erhöhungen des Wertes Q im Verlauf von Zyklen, welche durch eine Verzögerungszeit von 20 Sekunden in dem gewählten Beispiel definiert sind, und- the progressive increase of the air flow rate up to a final value, defined as Q2, corresponding to the maximum permitted for ignition, by successive increases of the value of Q during cycles defined by a delay time of 20 seconds in the example chosen, and
- der Betrieb mit diesem konstanten Luftdurchsatz entsprechend Q2, während beispielsweise 5 Minuten, wobei diese Zeit ebenso wie die vorher praktizierten 3 Minuten eventuell abgekürzt werden kann, wie oben angegeben, wenn die Wassertemperatur TE 90ºC überschreitet.- operation with this constant air flow rate corresponding to Q2, for example for 5 minutes, which time, like the 3 minutes previously used, can be shortened if necessary, as indicated above, if the water temperature TE exceeds 90ºC.
Man sieht nun, daß die erfindungsgemäße Regelung es ermöglicht, den Heizkessel mit erzwungenem Zug und nicht nur mit natürlichem Zug zu zünden, was besonders von Vorteil ist. Man weiß in der Tat, daß in einem Heizkessel mit erzwungenem Zug zur umgekehrten Verbrennung der Zündvorgang mit Hilfe einer Zündungsstartklappe erfolgt, welche durch die Erfindung vereinfacht werden kann, indem stark fortschreitend die Verbrennungsluft zugeführt wird, je nach dem Maß der effektiven Entwicklung des Zündvorgangs in Richtung auf die Normalbetriebsphase P2, die man in jedem Fall erreicht.It can now be seen that the control according to the invention makes it possible to ignite the boiler with forced draught and not only with natural draught, which is particularly advantageous. It is known that in a boiler with forced draught for reverse combustion, the ignition process takes place by means of an ignition starter flap, which can be simplified by the invention by introducing the combustion air very gradually, depending on the degree of effective development of the ignition process towards the normal operating phase P2, which is reached in any case.
Man weiß, daß nach jeder Brennstoffladung die Zufuhr von Brennstoff die Tendenz hat, den Speicherraum beträchtlich abzukühlen, was die Wirkung hat, die Verbrennung durch einen Luftüberschuß zu beeinträchtigen, wenn die Regelung diesem neuen Zustand nicht Rechnung trägt. Man versteht nunmehr den Vorteil, welchen die erfindungsgemäße Regelung bietet, indem die Verbrennungsluft derart dosiert wird, daß eine stark ansteigende Zunahme der Flamme bis zu dem gewünschten Wert im Normalbetrieb erhalten wird.It is known that after each fuel charge, the supply of fuel tends to cool the storage space considerably, which has the effect of impairing combustion by an excess of air if the control does not take this new situation into account. It is now clear what advantage the control according to the invention offers, by metering the combustion air in such a way as to obtain a sharp increase in the flame up to the desired value in normal operation.
Während der Normalbetriebsphase P2, dargestellt in Fig. 4, wird ständig die Ablesung der Wassertemperatur TE und der Rauchgastemperatur TF vorgenommen. Das gewünschte Ziel besteht darin, alle oben erwähnten Übergangsbzw. Schwankungsperioden zu vermeiden, indem jeweils die möglichst reguläre Betriebsweise angestrebt wird. Deshalb wird ständig die Brennleistung an den vom Benutzer programmierten Bedarf angepaßt.During the normal operating phase P2, shown in Fig. 4, the water temperature TE and the flue gas temperature TF are constantly read. The desired goal is to avoid all the above-mentioned transitional or fluctuating periods by always aiming for the most regular operating mode possible. The combustion power is therefore constantly adapted to the requirements programmed by the user.
Wenn die Austauschfläche zwischen der Flamme und dem Wasser des Heizkessels konstant ist, kann man die Rauchgastemperatur TF als Indikator für die augenblickliche Leistung der Flamme nehmen, Außerdem ist anzunehmen, daß der Unterschied zwischen der realen Wassertemperatur TE und der von dem Benutzer festgelegten Soll-Wassertemperatur den Bedarf an Kalorien in demselben Augenblick ausdrückt, um dem Benutzer zu genügen.If the exchange surface between the flame and the water of the boiler is constant, the flue gas temperature TF can be taken as an indicator of the instantaneous power of the flame. In addition, it can be assumed that that the difference between the actual water temperature TE and the target water temperature set by the user expresses the need for calories at that moment to satisfy the user.
Erfindungsgemäß berechnet man eine theoretische Rauchgastemperatur TTF mit der folgenden Beziehung:According to the invention, a theoretical flue gas temperature TTF is calculated using the following relationship:
TTF = K1 (CE - TE),TTF = K1 (CE - TE),
wobei K1 ein experimentell festgelegter Koeffizient ist, der eine Funktion der Geometrie des Heizelementes des Heizkessels und seiner Austauscheigenschaften ist.where K1 is an experimentally determined coefficient which is a function of the geometry of the heating element of the boiler and its exchange characteristics.
Wie oben dargelegt, kann dieser Koeffizient K1 tatsächlich zeitlich oder gemäß Parametern veränderlich sein, welche gemessen werden, um einer differenzierenden oder integrierenden Wirkung der Regelung Rechnung zu tragen.As explained above, this coefficient K1 may in fact vary over time or according to parameters measured to take into account a differentiating or integrating effect of the regulation.
Wenn jedoch der berechnete Wert TTF geringer ist als der minimale, durch den Installateur festgelegte Soll- Rauchgaswert Cmf, legt das Programm TTF = Cmf fest. Ebenso, wenn TTF größer ist als der vom Konstrukteur in dem Mikroprozessor programmierte maximale Soll-Rauchgaswert CMF, legt das Programm TTF = CMF fest.However, if the calculated TTF value is less than the minimum target flue gas value Cmf set by the installer, the program sets TTF = Cmf. Similarly, if TTF is greater than the maximum target flue gas value CMF programmed into the microprocessor by the designer, the program sets TTF = CMF.
Ausgehend von diesem Wert der theoretischen Rauchgastemperatur TTF berechnet man den theoretischen Luftbedarf QT, d.h., den Regelwert des Ventilators, der notwendig ist für die Verbrennung in Abhängigkeit von der realen Rauchgastemperatur, ausgehend von der folgenden Beziehung:Starting from this value of the theoretical flue gas temperature TTF, the theoretical air requirement QT is calculated, i.e. the control value of the fan necessary for combustion depending on the actual flue gas temperature, based on the following relationship:
QT = K2 (TTF - TF),QT = K2 (TTF - TF),
wobei K2 ein experimentell festgelegter Koeffizient ist, der ebenfalls fest oder zeitlich veränderlich sein kann, um der Bedeutung des Unterschiedes zwischen TTF und TF Rechnung zu tragen.where K2 is an experimentally determined coefficient which may also be fixed or time-varying to reflect the significance of the difference between TTF and TF.
Man legt jedoch nicht gewaltsam den berechneten theoretischen Regelwert QT an den Ventilator, sondern man legt einerseits einen minimalen Regelwert Qmin und einen maximalen Regelwert Qmax fest, und wenn QT kleiner ist als Qmin, legt man ihn auf diesen Wert fest, während dann, wenn QT größer ist als Qmax, man ihn auf diesen letzteren Wert festlegt, und andererseits verändert man die Variable Q, welche den Luftdurchsatz durch progressive Anhebung innerhalb von aufeinander folgenden Zyklen definiert, mit einer neuen Zeitverzögerung von 20 Sekunden und einer Rückkehr zum Anfang der Phase P2, um die Messungen und Berechnungen neu zu beginnen.However, the calculated theoretical control value QT is not forced on the fan, but on the one hand a minimum control value Qmin and a maximum control value Qmax are set, and if QT is less than Qmin, it is set at this value, while if QT is greater than Qmax, it is set at this latter value, and on the other hand the variable Q, which defines the air flow rate by progressively increasing it in successive cycles, is modified with a new time delay of 20 seconds and a return to the beginning of phase P2 to restart the measurements and calculations.
Es ist wichtig zu bemerken, daß man in der Mitte des Ablaufs von P2 nach einer Messung TF und vor der Berechnung von QT den Wert TF prüft, und wenn er kleiner ist als 40º, man den totalen Stop des Heizkessels bewirkt.It is important to note that in the middle of the P2 cycle, after measuring TF and before calculating QT, the TF value is checked and if it is less than 40º, the boiler is shut down completely.
Andererseits hat man zwischen dem Vergleichstest zwischen QT und Q sowie der endgültigen Zeitverzögerung von 20 Sekunden drei parallele Zweige, einen mittleren, direkten, welcher der Gleichheit der beiden Werte entspricht, den zur rechten in Fig. 4, welcher einem kleineren Wert von QT gegenüber Q und folglich einer Verringerung von Q entspricht, und den dritten auf der linken Seite, der von besonderem Interesse ist und einem Wert von QT größer als Q entspricht. In diesem letzteren Fall erhöht man Q, wie es notwendig ist, jedoch vergleicht man die Rauchgastemperatur TF mit der in dem vorangehenden Zyklus gespeicherten Rauchgastemperatur TFP, und in dem Fall, wo TF kleiner ist als TFP, d.h. in dem Fall, wo eine Erhöhung des Luftdurchsatzes zu einer Verringerung der Rauchgastemperatur führt, schließt man daraus, daß man sich in einer Phase anormaler Wirkungsweise befindet, und man wechselt in die Phase P3, welche dem Diagramm von Fig. 5 entspricht.On the other hand, between the comparison test between QT and Q and the final time delay of 20 seconds, there are three parallel branches, a central, direct one corresponding to the equality of the two values, the one on the right in Fig. 4, which corresponds to a smaller value of QT compared to Q and consequently to a reduction of Q, and the third one on the left, which is of particular interest and corresponds to a value of QT greater than Q. In this latter case, Q is increased as necessary, but the flue gas temperature TF is compared with the flue gas temperature TFP stored in the previous cycle, and in the case where TF is less than TFP, that is In the case where an increase in the air flow leads to a reduction in the flue gas temperature, it is concluded that one is in a phase of abnormal operation and one passes to phase P3, which corresponds to the diagram in Fig. 5.
Die Ausnahmebetriebsphase P3, wo die Rauchgastemperatur absinkt, wenn der Luftdurchsatz sich erhöht, entspricht allgemein dem Vorhandensein eines Luftüberschusses, welcher bedingt ist entweder durch die Ausbildung einer Wölbung bzw. eines Hohlraums infolge beispielsweise einer schlechten Beladung, welche es dem Holz nicht ermöglicht, richtig in den Brennraum zu fallen, oder auch durch einen Mangel an Brennstoff.The exceptional operating phase P3, where the flue gas temperature drops as the air flow increases, generally corresponds to the presence of excess air, which is caused either by the formation of a bulge or a cavity due, for example, to poor loading, which does not allow the wood to fall properly into the combustion chamber, or also by a lack of fuel.
Um diese neue Situation zu beherrschen, benutzt man eine Variable, welche die Zahl von Versuchen ist, welche konstant auf einen vorgegebenen Wert festgelegt ist, beispielsweise 3 in dem gewählten Beispiel, für jeden Durchlauf durch den linken Arm des Flußdiagramms von Fig. 4, d.h. für einen Wert von QT größer Q, jedoch für normale Betriebsweise, d.h. für die Betriebsweise, wenn die Rauchgastemperatur nicht absinkt. Wenn diese Anomalie auftritt, wechselt man also in die Phase P3, wobei die veränderliche Zahl von Versuchen auf 3 festgelegt ist. Die Phase P3 in Fig. 5 beginnt nunmehr mit einer Verringerung dieser variablen Zahl von Versuchen jeweils nach einem Vergleich mit dem Wert 0. Solange die Zahl von Versuchen den Wert 0 nicht erreicht hat, läßt man den Betrieb über eine Verzögerungszeit von 20 Sekunden laufen, bevor man wiederum die Phase P2 für einen neuen Versuch beginnt. Wenn im Verlauf dieser aufeinanderfolgenden Versuche die Wölbung einstürzt, nimmt der Heizkessel seinen Normalbetrieb wieder auf. Nur wenn man dreimal über die Abzweigung P3 der Phase P2 fährt, gelangt man für die Zahl von Versuchen auf den Wert 0, was nunmehr zu einer stärkeren Verringerung von Q führt, beispielsweise um 5, ohne daß man unter einen Minimalwert von beispielsweise 25 gelangt, wobei diese Verringerung von einer Zeitverzögerung von beispielsweise 5 Minuten gefolgt wird, gefolgt dann von einer weiteren bedeutenden Verringerung vor der Rückkehr zur Phase P2.To manage this new situation, a variable is used which is the number of attempts, fixed at a constant value, for example 3 in the example chosen, for each pass through the left arm of the flow chart in Fig. 4, that is to say for a value of QT greater than Q, but for normal operation, that is to say for the operation when the flue gas temperature does not drop. When this anomaly occurs, the system switches to phase P3, with the variable number of attempts fixed at 3. Phase P3 in Fig. 5 now begins by reducing this variable number of attempts, each time after a comparison with the value 0. As long as the number of attempts has not reached 0, operation is allowed to continue for a delay of 20 seconds before starting phase P2 for a new attempt. If, during these successive attempts, the dome collapses, the boiler resumes normal operation. Only if you drive three times over the P3 junction of phase P2, you get the number of attempts to 0, which now leads to a greater reduction of Q, for example by 5, without going below a minimum value of, for example, 25, this reduction being followed by a time delay of, for example, 5 minutes, followed then by a further significant reduction before returning to phase P2.
Wenn so die Ausnahmebetriebsphase sich ständig fortsetzt, entweder weil die Wölbung nicht einstürzt oder weil der Brennstoff ausgeht, endet man, indem man eine Rauchgastemperatur unterhalb von 40º erreicht, in der Mitte des Flußdiagramms P2, was, wie zu sehen ist, zu einem generellen Stopp des Heizkessels führt.If the exceptional operating phase continues in this way, either because the dome does not collapse or because the fuel runs out, it ends up reaching a flue gas temperature below 40º, in the middle of the flow chart P2, which, as can be seen, leads to a general stop of the boiler.
Das letzte Flußdiagramm X von Fig. 5 entspricht einer Unterbrechung des Programms für jede Öffnung der Türe, was die Wirkung hat, den Ventilator anzuhalten (Q=0) und festzustellen, ob der Schließkontakt der Türe in geschlossener Stellung ist, um die Phase P1 wieder einzuleiten. Tatsächlich entspricht die Öffnung der Türe normalerweise einer Nachladung von Brennstoff.The last flow chart X of Fig. 5 corresponds to an interruption of the program for each opening of the door, which has the effect of stopping the fan (Q=0) and checking whether the door closing contact is in the closed position in order to restart phase P1. In fact, the opening of the door normally corresponds to a refill of fuel.
Man konnte feststellen, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens es ermöglicht, eine sehr genaue und sehr stabile Regelung eines derartigen Heizkessels sicherzustellen, wobei die Schwankungen der Wassertemperatur nicht mehr oder weniger als 10 von dem Sollwert abweichen. Diese Wirkungsweise ist somit sehr anpassungsfähig und sehr sicher.It has been found that the application of the method according to the invention makes it possible to ensure very precise and very stable control of such a boiler, with the water temperature fluctuations not deviating by more or less than 10% from the setpoint. This mode of operation is therefore very adaptable and very safe.
Überdies kann die Regelung Anomalien in der Wirkungsweise anzeigen und eine komplette Diagnose ihres Betriebszustandes geben, entweder auf dem Steuerpult 14 des Heizkessels oder über einen unabhängigen Prüfkoffer, welcher über den Steckverbinder 23 angeschlossen wird, was den Unterhalt beträchtlich vereinfacht.Furthermore, the control system can indicate anomalies in its functioning and provide a complete diagnosis of its operating status, either on the boiler control panel 14 or via an independent test kit connected via connector 23, which considerably simplifies maintenance.
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