DE69506991T2

DE69506991T2 - Safety procedures for water heaters and atmospheric gas burners when exhaust gases flow back

Info

Publication number: DE69506991T2
Application number: DE69506991T
Authority: DE
Inventors: Mohamed F-44000 Nantes Benabdelkarim; Regis F-44250 Saint Brevin Les Pins Cazin
Original assignee: Saunier Duval Eau Chaude Chauffage SDECC SA
Current assignee: Saunier Duval Eau Chaude Chauffage SDECC SA
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2015-10-18
Also published as: EP0708299A1; ES2126851T3; ATE175266T1; FR2726071A1; DE69506991D1; EP0708299B1; FR2726071B1

Abstract

The system provides the boiler with a burner (1) and a heated body (2). Above this is a canopy (3) leading into a conduit (4) for removal of fumes with deflectors (5) guiding the gas flow. A single temp. sensor (7) is placed in the flow of exhaust prods. to measure both the absolute temp. (T) and the variation of temp. w.r.t. time (dT/dt). The sensor is able to measure temp. variations of the order of 0.1 to 0.5 deg. per second. This is then used in conjunction with measurement of the current flowing through a control electrovalve in order to provide control of the power provided by the boiler.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wasserheizungen und atmosphärische Gasbrenner, und insbesondere auf ein Sicherheitsverfahren für die Geräte während eines Rückstroms der Verbrennungsprodukte, beispielsweise bei Verschluß der Rauchgasabzugsleitung.The invention relates to water heaters and atmospheric gas burners, and in particular to a safety method for the devices during a backflow of the combustion products, for example when the flue gas exhaust duct is closed.

Der Einsatz von Sicherheitsvorrichtungen, welche diese Funktion gewährleisten, ist allgemein bekannt, insbesondere bei Anlagen mit gesteuerter mechanischer Belüftung zur Abmilderung der Folgen einer gegebenenfalls aufgetretenen Störung oder eines Defekts. Eine Störung am Absauger oder auch ein Verschluß der Leitungen schlägt sich in einem anormalen Temperaturanstieg am Zugbegrenzer nieder. Üblicherweise wird an dieser Stelle ein Thermostat oder ein Temperaturfühler vorgesehen, der bei einer vorgegebenen Temperatur umgehend in Richtung einer Betriebsunterbrechung des Brenners wirksam wird. Diese Temperatur, bei welcher das wärmeempfindliche Element die Abschaltung der Gaszufuhr zum Brenner herbeiführt, wird zwischen dem zulässigen Temperaturwert, bei dem das Gerät unter normalen Zugbedingungen arbeitet, und einem Temperaturwert geregelt, bei welchem es zu einem gefährlichen Rückstrom der Verbrennungsprodukte käme. Dieser vorgegebene Temperaturwert ermöglicht im Falle von Geräten mit fest eingestellter Leistung eine praktisch sofort vorgenommene Betriebsunterbrechung des Geräts, sobald eine Störung aufgetreten ist.The use of safety devices to ensure this function is well known, particularly in systems with controlled mechanical ventilation, to mitigate the consequences of any fault or defect that may occur. A fault in the extractor or a blockage in the pipes will result in an abnormal rise in temperature at the draught limiter. A thermostat or temperature sensor is usually provided at this point which, when a predetermined temperature is reached, will immediately act to stop the burner. This temperature, at which the thermosensitive element causes the gas supply to the burner to be cut off, is regulated between the permissible temperature value at which the device operates under normal draught conditions and a temperature value at which a dangerous backflow of combustion products would occur. This predetermined temperature value allows, in the case of devices with a fixed power, a practically immediate shutdown. The device will stop operating if a fault occurs.

Andererseits stellt bei den Geräten mit variabler Leistung, bei denen der Brenner mit verminderter Leistung, mit höchstmöglicher Leistung oder auf einer dazwischenliegenden Leistungsstufe arbeiten kann, der feste Auslösewert für das temperaturempfindliche Element einen Nachteil dar, da die niedrigste Temperatur der Verbrennungsprodukte bei Betrieb des Brenners mit geringer Leistung es nicht gestattet, diesen Wert rasch zu erreichen, so daß die Sicherheitsumschaltung des Geräts entsprechend verzögert wird.On the other hand, in the case of variable-output appliances, where the burner can operate at reduced power, at maximum power or at an intermediate power level, the fixed trip value for the temperature-sensitive element is a disadvantage since the lowest temperature of the combustion products when the burner is operating at low power does not allow that value to be reached quickly, so that the safety switchover of the appliance is delayed accordingly.

Außerdem treten bei dieser Vorrichtung mit einem Temperaturfühler beispielsweise im Sommer, bei Raumtemperaturen im Bereich von 30ºC, ungewollte Sicherheitsumschaltungen auf, da der Fühler im Normalbetrieb bei hoher Leistung eine Temperatur erreicht, die gleich der Temperatur ist, die einem gestörten Betrieb mit kleiner Leistung entspricht.In addition, this device with a temperature sensor can cause unwanted safety switches to occur, for example in summer when the room temperature is in the range of 30ºC, because the sensor in normal operation at high power reaches a temperature that is equal to the temperature that corresponds to faulty operation at low power.

Eine weitere Lösung besteht in der Verwendung von zwei Temperaturfühlern, von denen der eine im normalen Strom der Rauchgase und der andere im Rückstrom dieser Abgase angeordnet ist - vgl. beispielsweise die deutsche Patentschrift DE-A-30 20 228.Another solution is to use two temperature sensors, one of which is located in the normal flow of the flue gases and the other in the return flow of these exhaust gases - see, for example, the German patent specification DE-A-30 20 228.

Wenn der Wärmezug unzureichend ist, strömen die Rauchgase über das Gehäuse des Zugbegrenzers in den Wohnraum zurück und stauen sich dort. Die beiden Temperaturfühler befinden sich somit im selben Rückstrom der Abgase und infolgedessen sinkt der Temperaturunterschied zwischen den beiden Werten rasch um einige Grad ab. Diese Schwankung des Temperaturunterschieds wird aber genutzt, um das Gerät auf sicheren Betrieb zu schalten.If the heat draft is insufficient, the flue gases flow back into the living space via the housing of the draught limiter and build up there. The two temperature sensors are therefore in the same return flow of the exhaust gases and as a result the temperature difference between the two values quickly drops by a few degrees. This fluctuation in the temperature difference is used to switch the device to safe operation.

Diese Anlage mit zwei Fühlern bringt jedenfalls Nachteile mit sich, wenn das Gerät in der Regelphase arbeitet. Wenn die Regelung die Betriebsunterbrechung des Brenners auslöst, sinkt nämlich die Temperatur des im normalen Abgasstrom angeordneten Fühlers rasch ab, da keine weiteren Abgabe mehr freigesetzt werden.This system with two sensors has disadvantages when the device is operating in the control phase. When the control system stops the burner from operating, the temperature of the sensor located in the normal exhaust gas flow drops quickly because no more emissions are released.

Im Gegensatz hierzu steigt die Temperatur des im Rückstrom angeordneten Fühlers nur sehr viel langsamer an, da er weiterhin der Abstrahlung vom Gehäuse des Zugbegrenzers ausgesetzt ist. Infolgedessen verringert sich der Temperaturunterschied ebenso rasch wie in den Fällen, wo es zu einem Rückstrom kommt. Um diesen Effekt abzufedern, muß das Gerät mit einer intelligenten Elektronik ausgerüstet werden, welche den Umstand berücksichtigt, daß sich das Gerät in der Regelphase befindet, und welches die Sicherheitsschaltung während dieser Phase deaktiviert, damit es nicht zu einer Umschaltung kommt. Somit könnte ein System mit Mikroprozessor, in dessen Speicher die Vorgabewerte für die Fühler abgespeichert sind, die Sicherheitsumschaltung des Geräts in Abhängigkeit von Signalen herbeiführen, die es von den Fühlern während eines Rückstrombetriebs empfängt, allerdings auch in Abhängigkeit von Signalen, die vom Brenner kommen und die Heizleistung im jeweiligen Augenblick angeben.In contrast, the temperature of the sensor located in the return flow rises much more slowly because it is still exposed to radiation from the draught regulator housing. As a result, the temperature difference decreases just as quickly as in cases where there is a return flow. To mitigate this effect, the device must be equipped with intelligent electronics that take into account the fact that the device is in the regulation phase and that deactivates the safety circuit during this phase so that a switchover does not occur. Thus, a system with a microprocessor, in whose memory the default values for the sensors are stored, could cause the device to switch over to safety depending on the signals it receives from the sensors during a return flow operation, but also depending on the signals coming from the burner and indicating the heating power at that moment.

Aus naheliegenden Kostengründen kann man jedoch nicht den Einbau eines solchen Systems an herkömmlichen Regelvorrichtungen nur zu dem Zweck in Erwägung ziehen, daß diese Sicherheitsfunktion gewährleistet wird.However, for obvious cost reasons, one cannot consider installing such a system on conventional control devices solely for the purpose of ensuring this safety function.

Die mit diesen bekannten Vorrichtungen untrennbar verbundenen Nachteile haben somit die Anmelderin veranlaßt, ein neues Sicherheitsverfahren zur Verhinderung eines Rückstroms für Wasserheizungen und Gasbrenner weiterzuentwickeln, welches sich sehr viel einfacher realisieren läßt, da hierbei nur ein einziger Temperaturfühler zum Einsatz kommt, der im Rückstrom der Abgabe angeordnet ist.The disadvantages inherent in these known devices have therefore led the applicant to develop a new safety method for preventing backflow for water heaters and gas burners, which is much easier to implement, since it only requires one only one temperature sensor is used, which is arranged in the return flow of the discharge.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sicherheitsumschaltung bei Wasserheizungen und atmosphärische Gasbrennern während eines Rückstroms der Verbrennungsprodukte zu entwickeln, bei welchem nur ein einziger, im Rückstrom der Abgabe angeordneter Temperaturfühler zum Einsatz kommt, welches sich dadurch auszeichnet, daß es darin besteht, die Meßwerte der Temperaturschwankung des Meßfühlers gegenüber der Zeit und gleichzeitig den augenblicklichen Temperaturmeßwert der rückströmenden Abgase in Verbindung mit der Messung der Brennerbelastung so auszuwerten, daß die Sicherung erst dann erfolgt, wenn der gemessene Temperaturwert über einem entsprechend der Leistung bestimmten Schwellwert liegt.The invention is therefore based on the object of developing a method for safety switching in water heaters and atmospheric gas burners during a backflow of the combustion products, in which only a single temperature sensor arranged in the backflow of the discharge is used, which is characterized in that it consists in evaluating the measured values of the temperature fluctuation of the sensor over time and at the same time the instantaneous temperature measured value of the backflowing exhaust gases in conjunction with the measurement of the burner load in such a way that the safety only takes place when the measured temperature value is above a threshold value determined according to the output.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, in welcher auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird, in welcher:Further features of the invention emerge from the following description of an embodiment, in which reference is made to the accompanying drawing, in which:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch das Gerät in Normalfunktion zeigt,Fig. 1 shows a schematic section through the device in normal function,

Fig. 2 in derselben Ansicht den Rückstrom der Verbrennungsprodukte darstellt;Fig. 2 shows in the same view the return flow of the combustion products;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Temperaturschwankung des Temperaturfühlers während des Rückstroms der Verbrennungsprodukte ist, undFig. 3 is a graphical representation of the temperature variation of the temperature sensor during the return flow of the combustion products, and

Fig. 4 schematisch die Sicherheitsumschaltung des Geräts während eines Betriebs mit geringer Leistung darstellt.Fig. 4 schematically shows the safety switching of the device during low power operation.

In Fig. 1 ist teilweise ein Heizkessel mit einem Brenner 1, einem Heizkörper 2 mit beheiztem Mantel dargestellt, über dem ein Gehäuse eines Zugbegrenzers 3 und eine Rauchgasabzugsleitung 4 angeordnet sind. Das Gehäuse des Zugbegrenzers ist in an sich bekannter Weise mit seitlichen Lufteintritten 5 und Leitblechen 6 über diesen Lufteintritten versehen.Fig. 1 partially shows a boiler with a burner 1, a radiator 2 with a heated jacket, above which a housing of a draught limiter 3 and a flue gas exhaust line 4 are arranged. The housing of the draught limiter is provided in a manner known per se with lateral air inlets 5 and guide plates 6 above these air inlets.

Somit wird ein Temperaturfühler 7 im oberen Abschnitt eines Leitblechs 6, also in einem Bereich angeordnet, in dem Luft im Normalbetrieb eintritt, der durch die Pfeile 8 angedeutet ist. Die Verbrennungsprodukte bzw. Rauchgase werden vom Heizkörper 2 zur Abzugsleitung 4 hin abgezogen, wie dies mit den Pfeilen 9 eingezeichnet ist.Thus, a temperature sensor 7 is arranged in the upper section of a baffle 6, i.e. in an area into which air enters during normal operation, which is indicated by the arrows 8. The combustion products or flue gases are drawn off from the radiator 2 to the exhaust line 4, as shown by the arrows 9.

Im Falle eines Rückstroms bzw. einer Stauung, einer unzureichenden Zugwirkung oder eines Verschlusses der Leitung 4 werden die Rauchgas zu den Lufteinlässen 5 des Zugbegrenzergehäuses hin zurückgestaut, und aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß sie den Temperaturfühler 7 umstreichen. Der Fühler, der sich somit abrupt in diesem heißen Strom befindet, erfährt eine Temperaturänderung, welche den Rückstrom der Verbrennungsprodukte in den Innenraum widerspiegelt, wie dies mit der Kurve in Fig. 3 dargestellt ist. Diese veranschaulicht die Veränderung der Temperatur T des Fühlers in Abhängigkeit von der Betriebszeit 5 des Geräts.In the event of a backflow, insufficient draught or blockage of the pipe 4, the flue gases are backed up towards the air inlets 5 of the draught limiter housing and, as can be seen from Fig. 2, they bypass the temperature sensor 7. The sensor, which is thus suddenly in this hot stream, experiences a change in temperature which reflects the backflow of the combustion products into the interior, as shown by the curve in Fig. 3. This illustrates the change in the temperature T of the sensor as a function of the operating time 5 of the device.

Ab einem Zusetzen bzw. Verschluß in einem Augenblick to steigt die Temperatur T rasch an und stabilisiert sich dann auf einem Höchstwert.From a closing or closure at an instant to the temperature T rises rapidly and then stabilizes at a maximum value.

Das Verfahren besteht darin, dieser Messung der Temperatur T der Rauchgase mittels des Temperaturfühlers eine Information über die Leistung des Brenners im Belastungszustand zuzuordnen. Die Sicherheitsumschaltung des Geräts findet nur dann statt, wenn der Temperaturfühler eine rasche Temperaturveränderung erfaßt hat und wenn der gemessene Wert dieser Temperaturänderung über einem Schwellwert T&sub1; liegt, der einem Betrieb des Geräts mit geringer Leistung entspricht, bzw. über einem Schwellwert T&sub2;, der für einen Betrieb mit hoher Leistung gilt, oder einem dazwischen liegenden Schwellwert für eine dazwischenliegende Leistungsstufe.The procedure consists in associating this measurement of the temperature T of the flue gases by means of the temperature sensor with information on the burner performance in the load condition. The safety switchover of the device only takes place when the temperature sensor has detected a rapid temperature change and when the measured value of this temperature change is above a threshold T₁ corresponding to low power operation of the device, or above a threshold T₂ corresponding to high power operation, or an intermediate threshold for an intermediate power level.

Der Schwellwert zwischen T&sub1; und T&sub2; ist linear von der Brennerbelastung und somit von der Leistung des Geräts abhängig. Er stellt sich automatisch in Abhängigkeit von der augenblicklichen Leistung des Geräts ein.The threshold value between T₁ and T₂ is linearly dependent on the burner load and thus on the device's output. It is automatically adjusted depending on the device's current output.

Die schematische Darstellung in Fig. 4 zeigt, daß ein Befehl zur Sicherheitsumschaltung, der am Eingang ET eingeht, auf die Temperaturschwankung dT/dt eingeregelt wird, die im Fall eines Betriebs mit geringer Leistung mehr als 0,5º pro Sekunde betragen oder gleich diesem Wert sein könnte, und ebenso bei der Bestimmung der Temperatur T, die mindestens gleich der Temperatur T&sub1; sein muß. Im Falle des Betriebs mit großer Leistung besteht der einzige Unterschied darin, daß die Temperatur T mindestens gleich der Temperatur T&sub2; sein muß.The diagram in Fig. 4 shows that a safety switching command received at the ET input is adjusted to the temperature variation dT/dt, which could be greater than or equal to 0.5º per second in the case of low power operation, and also in the determination of the temperature T, which must be at least equal to the temperature T₁. In the case of high power operation, the only difference is that the temperature T must be at least equal to the temperature T₂.

In Fig. 4 sind mit dem Bezugszeichen 10 eine Ableitung und mit dem Bezugszeichen 11 ein Vergleicher mit Hysterese eingezeichnet. Auf dem anderen Schaltungszweig gibt das Bezugszeichen 11 den Vergleich eines Temperaturwertes mit dem Schwellwert T zur Abschaltung an. Nach dem Ausgang ET stellt das Bezugszeichen 13 die Freigabe eines Zündvorgangs mit nachfolgender Sperre 14 zur Freigabe der Zündanforderung 15 hin dar.In Fig. 4, reference numeral 10 indicates a derivative and reference numeral 11 indicates a comparator with hysteresis. On the other circuit branch, reference numeral 11 indicates the comparison of a temperature value with the threshold value T for switching off. After the output ET, reference numeral 13 represents the release of an ignition process with subsequent blocking 14 to release the ignition request 15.

Wenn der Fühler eine Temperaturveränderung um mehr als 0,5º pro Sekunde erfaßt, hat die Temperatur im allgemeinen noch nicht den Schwellwert T zur Abschaltung erreicht. Wenn die Temperatur des Fühlers nämlich den Schwellwert zur Abschaltung überschreitet, liegt die Veränderung dT/dt bzw. die Steilheit nur im Bereich von 0,1º pro Sekunde. Somit darf nicht übersehen werden, daß in einem bestimmten Augenblick eine rasche Temperaturveränderung erfaßt wurde.If the sensor detects a temperature change of more than 0.5º per second, the temperature has generally not yet reached the threshold T for switching off. In fact, if the sensor temperature exceeds the threshold for switching off, the change dT/dt or the Slope only in the range of 0.1º per second. It should therefore not be overlooked that a rapid change in temperature was recorded at a certain moment.

Dies wird mit Hilfe eines Vergleichers 11 mit Hysterese realisiert, der auf 1 schaltet, wenn die Veränderung dT/dt größer ist als 0,5º pro Sekunde, und der sich dann auf 0 umstellt, wenn dT/dt einen Wert annimmt, der unter -0,2º pro Sekunde liegt. Wenn nämlich dT/dt über dem Wert von -0,2º pro Sekunde bleibt, so bedeutet dies, daß der Verschlußzustand anhält und daß das Gerät abgeschaltet werden muß. Wenn dagegen dT/dt unter dem Wert von -0,2º pro Sekunde bleibt, bedeutet das, daß der Verschlußzustand vorübergehend vorgelegen hat und daß eine Sicherheitsumschaltung des Geräts nicht erforderlich ist. Diese Abspeicherung übernimmt auch die Aufgabe einer Verzögerungsfunktion, da sie dem Temperaturfühler Zeit läßt, den Schwellwert T der Temperatur zu erreichen.This is achieved by means of a comparator 11 with hysteresis which switches to 1 when the variation dT/dt is greater than 0.5º per second and then switches to 0 when dT/dt reaches a value less than -0.2º per second. In fact, if dT/dt remains above the value of -0.2º per second, this means that the locking condition is continuing and that the device must be switched off. On the other hand, if dT/dt remains below the value of -0.2º per second, this means that the locking condition was temporary and that a safety switchover of the device is not necessary. This storage also performs a delay function, since it gives the temperature sensor time to reach the temperature threshold T.

Diese Lösung bietet den enormen Vorteil, daß sie sich von der Elektronik her bei jeder Zündanforderung des Brenners leicht und umgehend nachprüfen läßt.This solution offers the enormous advantage that it can be easily and immediately checked electronically every time the burner is required to ignite.

Das neue Verfahren erweist sich gegenüber Schornsteinen und Feuerstellen tolerant, die im kalten Zustand schlecht ziehen. Um den Betrieb des Geräts zu unterbinden, ist nämlich eine rasche Veränderung der Temperatur dT/dt erforderlich. Der Schwellwert dT/dt ist so eingestellt, daß genug zeigt bleibt, damit sich der Wärmezug aufbauen kann.The new process is tolerant of chimneys and fireplaces that have poor draft when cold. In order to stop the device from operating, a rapid change in temperature dT/dt is required. The threshold value dT/dt is set so that enough air remains for the draft to build up.

Claims

1. Safety procedure for water heaters and atmospheric gas burners with backflow of the exhaust gases, in which a single temperature sensor arranged in the backflow of the exhaust gases is used, characterized in that it consists in evaluating the measured values of the temperature variation dT/dt of the sensor against time and at the same time the instantaneous temperature measured value (T) of the backflowing exhaust gases in conjunction with the measurement of the burner load in such a way that the safety is only carried out when the measured temperature value is above a threshold value determined according to the power.

2. Safety method according to claim 1, characterized in that the threshold value lies between values (T₁) and (T₂) which correspond respectively to operation of the plant at low power and to operation at high power, and that the threshold value represents a linear function of the burner load.

3. Safety method according to claim 1, characterized in that it consists in storing the rapid temperature variation using a comparator whose hysteresis includes two threshold values and which enables the information on the rapid temperature variation characteristic of an obstruction to the flow through the smoke exhaust line to be stored.