EP0036126B1 - Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei Brenngasverbrauchern - Google Patents
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Definitions
- the invention has for its object to provide a generic device with which the combustion air flow rate can be changed proportional to the fuel gas flow rate, in such a way that the air ratio is kept sufficiently constant under all operating conditions.
- a force acts on the setting element 4 which results from the combustion air stream 1.
- a fuel gas pressure adjusting device 8 is provided according to the invention. This is connected to the line 6 for supplying the fuel gas stream 7 in front of the gas nozzle.
- An actuator 9 is connected to the fuel gas pressure adjusting device 8, the arrangement and design always being such that the adjusting element 4 is adjusted with sufficient accuracy to the predetermined air ratio via this actuator 9. This is first explained in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2.
- the control membrane 13 is located in a manometer housing 14. Its top side is pressurized with the pressure of the fuel gas stream 7 in front of the gas nozzle and its underside with the combustion air pressure, which is essentially determined by the chimney draft.
- the slip gap 15 is necessary for the smooth movement of the swing flap 4; it is kept as small as possible to avoid a significant influence on the air flow.
- the effective areas F L and F G and the lever arms r G and r L are to be coordinated with one another in such a way that the swing flap 4 adjusts itself to the “fully open” position when the device is subjected to maximum heat and the smallest possible chimney draft.
- FIG 3 the combustion chamber 3 of a space heater with direct chimney connection (without flow protection) is shown schematically, to which the combustion air stream 1 is fed through a controlled pendulum flap 4, on the one hand through an unchangeable passage opening 11 of the pendulum flap 4 and on the other hand by one of the Pendulum flap 4 and a stop ring 16 formed variable flow cross-section 5, the size of which depends on the position of the pendulum flap 4.
- the position of the pendulum flap 4 is determined by the differential pressure acting on it between the outside air pressure and the air pressure in the room, which is enclosed by the pendulum flap 4 and the walls of the air supply and the combustion chamber 3, and by the one hand with the gas pressure in front of the gas nozzle of the Fuel gas consumer 2, on the other hand controlled with the aid of the air supply tube also serving as actuator 4 with the pressure in the combustion chamber 3, which is essentially determined by the chimney draft, controlled control membrane 13.
- This pressure also acts on a compensating membrane 17, which on the other hand is acted upon by the chimney suction.
- This arrangement of the membranes 13, 17, 22 compensates for the differential pressure at the setting member 4 between the pressure after the heat exchanger 23 and the chimney suction and the actuator 9, which influences the free flow cross section 5 in the flow path of the exhaust gases 21 with the setting element 4, from the pressure difference on Heat exchanger 23 and the differential pressure ⁇ P ⁇ controlled.
- the actuator 9 consists of an actuator rod on which the diaphragms 13, 17, 22 on the one hand and the adjusting element 4 on the other hand are fastened.
- the heat exchanger 23 (in the event of a change in heat load) acts in a similar way to a flow resistance with turbulent flow characteristics in the cold combustion air stream 1.
- the above-mentioned adjustment of the flow characteristics can take place by appropriately designing the gas outlet opening (for example in the form of a slot nozzle).
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Description
- Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei mit vorgegebener Luftzahl zu betreibenden atmosphärischen Brenngasverbrauchern mit Verbrennungsraum, - mit in Strömungsrichtung des Verbrennungsluftstromes hinter einer Durchtrittsöffnung konstanten Querschnitts angeordnetem Einstellelement für einen Strömungsquerschnitt und Leitung für die Zuführung eines Brenngasstromes zum Brenngasverbraucher, wobei an dem Einstellelement eine Luftkraft angreift, welche aus dem Verbrennungsluftstrom resultiert. Die Verbrennung des Brenngases mag für Heizungszwecke oder auch für andere Zwecke erfolgen.
- Bei der bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung (DE-GM 79 08 061) ist die Kraft, die aus dem Verbrennungsluftstrom resultiert, neben der Schwerkraft und der unvermeidbaren Reibung, die einzige Kraft, die an dem Einstellelement angreift. Das hat sich an sich bewährt, und zwar bei Gasverbrauchern, die mit konstanter Belastung und damit konstantem Brenngaszusatz betrieben werden. Bei mehrstufig oder modulierend geregelten Gasverbrauchern könnte die Anwendung der bekannten Vorrichtung jedoch dazu führen, daß sich die Luftzahl erhöht, wenn der Brenngasdurchsatz konstant gehalten wird. Dies wiederum hätte eine Verminderung des Teillast-Wirkungsgrades solcher Gasverbraucher gegenüber dem Wirkungsgrad bei Voll- bzw. Nennbelastung zur Folge. Mit anderen Worten ändert sich bei der bekannten Vorrichtung der Verbrennungsluftdurchsatz nicht proportional zum Brenngasdurchsatz so, daß die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen ausreichend konstant gehalten wird.
- Bei einer anders aufgebauten Vorrichtung (FR-PS 11 35 941), bei der mit einem Servomechanismus und einem Hilfsdruckmittel gearbeitet wird, ist es an sich bekannt, zusätzlich eine Breringasdruck-Stellvorrichtung vorzusehen, die an die Leitung zur Zuführung des Brenngasstromes angeschlossen ist. Es findet daher eine Zwangssteuerung statt. Mit diesen Maßnahmen allein kann bei der gattungsgemäßen Vorrichtung die Luftzahl nicht unter allen Betriebsbedingungen konstant gehalten werden.
- Grundsätzlich ist es bekannt (GB-A 11 57908) Ventilklappen so anzuordnen und einzurichten, daß sie sich nach Maßgabe eines Druckes einstellen, der an besonderer Stelle anliegt oder angelegt wird. Bei Brenngasverbrauchern anderer Gattung, denen die Verbrennungsluft mittels Gebläse über eine Rohrleitung zugeführt wird, ist es bekannt (The Institution of Gas Engineers, « Communication 1108 », 1979, S. 17, Fig. 10), die Luftmenge der jeweils eingestellten Brenngasmenge anzupassen und die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen praktisch konstant zu halten. Dazu arbeitet man mit einer Membran-Steuervorrichtung, deren Membranen vom Luftdruck und vom Brenngasdruck in den Rohrleitungen vor dem Brenngasverbraucher beaufschlagt sind und die ein Ventil in der Brenngasleitung so verstellt, daß sich die angestrebte konstante Luftzahl einstellt. Die eingangs beschriebenen Probleme bei atmosphärischen Brenngasverbrauchern sind durch diese bekannten Maßnahmen nicht beeinflußt worden, zumal sie nicht geeignet sind, gleichzeitig den Einfluß von Belastungsänderungen und wechselndem Schornsteinzug auszugleichen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, mit der der Verbrennungsluftdurchsatz proportional zum Brenngasdurchsatz verändert werden kann, und zwar so, daß die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen ausreichend konstant gehalten wird.
- Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß zusätzlich eine Brenngasdruck-Stellvorrichtung vorgesehen wird, die an die Leitung zur Zuführung des Brenngasstromes angeschlossen ist und daß zwischen dem Einstellelement und der Brenngasdruck-Stellvorrichtung eine mechanische Stellverbindung angeordnet ist, welche Stellverbindung auf das Einstellelement eine Stellkraft ausübt, der die Luftkraft das Gleichgewicht hält. Im allgemeinen wird man eine vom Differenzdruck beaufschlagte Membran als Steuermembran einsetzen, welche in bekannter Weise auf in der Verbrennungsluftzuführung oder im Abgasweg befindliche Einstellelemente in Form von Mengenreglern, die z. B. als Drossel-, Dreh-oder Pendelklappe ausgeführt sind, einwirkt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5 und der Figuren, die im folgenden beschrieben werden. Es zeigen in schematischer Darstellung
- Figur 1 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei Brenngasverbrauchern,
- Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 1,
- Figur 3 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Raumgasheizgerät mit direktem Kaminanschluß,
- Figur 4 die Anordnung einer erfindungsgemäßan Vorrichtung in einem zu einem Gebläsebrenner führenden Verbrennungsluftkanal und
- Figur 5 die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Wasserheizer mit direktem Kaminanschluß.
- Die in den Figuren dargestellten Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes 1 bei mit vorgegebener Luftzahl zu betreibenden atmosphärischen Brenngasverbrauchern 2 mit Verbrennungsraum 3 besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau zunächst
- aus einen Einstellelement 4 für einen Strömungsquerschnitt 5 aus
- einer Leitung 6 für die Zuführung eines Brenngasstromes 7 zum Brenngasverbraucher 2.
- An dem Einstellelement 4 greift eine Kraft an, die aus dem Verbrennungsluftstrom 1 resultiert. Zusätzlich ist erfindungsgemäß eine Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8 vorgesehen. Diese ist an die Leitung 6 zur Zuführung des Brenngasstromes 7 vor der Gasdüse angeschlossen. An die Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8 ist ein Stelltrieb 9 angeschlossen, wobei die Anordnung und Auslegung stets so getroffen ist, daß das Einstellelement 4 über diesen Stelltrieb 9 mit ausreichender Genauigkeit auf die vorgegebene Luftzahl eingestellt wird. Das wird im folgenden zunächst anhand der Figuren 1 und 2 ausführlicher erläutert.
- Die Fig. 1 und 2 zeigen eine in der Verbrennungsluftzuführung 10 für den Verbrennungsluftstrom 1 für einen Brenngasverbraucher 2 mit direktem Kaminanschluß (ohne Strömungssicherung) angeordnete Pendelklappe 4 als Einstellelement, von deren Stellung die Größe des variablen Strömungsquerschnittes 5 abhängt. Die konstante Durchtrittsöffnung 11 bestimmt zusammen mit dem an der wirksamen Fläche FL der Pendelklappe 4 herrschenden Differenzdruck APL den Luftdurchsatz. Über den Hebelarm der Pendelklappe 4 bzw. über das als Stelltrieb 9 dienende Hebelsystem wirken am Drehpunkt 12 die Momente der Kraft, die von dem Differenzdruck APL auf die Fläche FL ausgeübt wird, und der Kraft, die vom Gasdruck ΔPG auf die wirksame Steuermembranfläche FG ausgeübt wird, in entgegengesetzter Richtung. Bei richtiger Dimensionierung von Pendelklappe 4 und Steuermembran 13 der Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8, nimmt die Pendelklappe 4 eine Winkellage zwischen den beiden möglichen Extremlagen so ein, daß beide Momente im Gleichgewicht stehen.
-
- Hierbei bedeuten :
- APG = Differenzdruck des Gases (entsprechend der einleitend genannten Definition),
- APL = Differenzdruck der Luft an der konstanten Durchtrittsöffnung 11,
- FL = wirksame Fläche der Pendelklappe 4,
- FG = wirksame Fläche der Steuermembran 13 der Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8,
- rG = Hebelarm der Kraft ΔPG · FG,
- rL = Hebelarm der Kraft ΔPL · FL.
- Die Steuermembran 13 befindet sich in einem Manometergehäuse 14. Ihre Oberseite wird mit dem Druck des Brenngasstromes 7 vor der Gasdüse und ihre Unterseite mit dem Verbrennungsluftdruck, der im wesentlichen durch den Kaminsog bestimmt wird, beaufschlagt.
- Der Schlupfspalt 15 ist für die reibungslose Bewegung der Pendelklappe 4 notwendig ; er wird so klein wie möglich gehalten, um einen wesentlichen Einfluß auf den Luftdurchsatz zu vermeiden.
- Die wirksamen Flächen FL und FG und die Hebelarme rG und rL sind so aufeinander abzustimmen, daß sich die Pendelklappe 4 bei maximaler Wärmebelastung des Gerätes und dem kleinstmöglichen Schornsteinzug gerade auf die Lage « voll geöffnet » einstellt.
- In Fig.3 ist schematisch der Verbrennungsraum 3 eines Raumheizgerätes mit direktem Kaminanschluß (ohne Strömungssicherung) dargestellt, dem der Verbrennungsluftstrom 1 durch eine gesteuerte Pendelklappe 4 zugeführt wird, und zwar einerseits durch eine nicht veränderbare Durchtrittsöffnung 11 der Pendelklappe 4 und andererseits durch eine von der Pendelklappe 4 und einem Anschlagring 16 gebildeten veränderbaren Strömungsquerschnitt 5, dessen Größe von der Stellung der Pendelklappe 4 abhängig ist.
- Die Stellung der Pendelklappe 4 wird durch den an ihr angreifenden Differenzdruck zwischen dem Außenluftdruck und dem Luftdruck in dem Raum, der von der Pendelklappe 4 und den Wänden der Luftzuführung sowie des Verbrennungsraumes 3 umschlossen wird, und durch die einerseits mit dem Gasdruck vor der Gasdüse des Brenngasverbrauchers 2, andererseits mit Hilfe des auch als Stelltrieb 4 dienenden Luftzuführungsröhrchens mit dem Druck im Verbrennungsraum 3, der im wesentlichen durch den Kaminsog bestimmt wird, beaufschlagte Steuermembran 13 gesteuert. Eine Ausgleichsmembran 17, die einerseits ebenfalls über das als Stelltrieb dienende Luftzuführungsröhrchen mit dem Verbrennungsraum-Druck, andererseits mit dem Druck der Umgebungsluft beaufschlagt wird, dient zur Kompensation eines Teils der vom Verbrennungsraum 3 auf die Pendelklappe 4 wirkenden Kraft, und zwar für den Eintrittsquerschnitt des Verbrennungsraumes 3, der durch den Anschlagring 16 begrenzt wird.
- In Fig. 4 ist die Vorrichtung an einer zu einem Luftgebläse führende Leitung 18 angeordnet, in der sich (an beliebiger Stelle) eine Stauscheibe 19 oder eine andere, einen Druckabfall bewirkende Vorrichtung mit der konstanten Durchtrittsöffnung 11 befindet. Eine solche Vorrichtung ist an sich bekannt (DE-B 10 13027 und DE-A 26 30 414). Die Steuermembran 13 wird von dem Differenzdruck einer in der Gaszuführungsleitung der Einrichtung 6 angeordneten Meßblende 20 beaufschlagt. Sie wirkt über ein Hebelsystem als Stelltrieb 9 auf eine Drehklappe 4 mit der variablen Durchtrittsöffnung 5 ein, deren Form den unterschiedlichen Strömungsverhältnissen auf der An- und Abströmseite Rechnung trägt, d. h. die Drehklappe 4 ist derart ausgebildet, daß auf sie keine aus der anliegenden Druckdifferenz bzw. aus der Durchströmung des Strömungsquerschnitts 5 resultierenden Drehmomente, sondern lediglich die aus der Druckdifferenz an der Stauscheibe 19 resultierenden Kräfte einwirken.
- Bei dem in Fig. 5 dargestellten Wasserheizer mit direktem Kaminanschluß (ohne Strömungssicherung) erfolgt die Einstellung des Verbrennungsstromes 1 durch Veränderung des freien Strömungsquerschnitts 5 im Strömungsweg der Abgase 21. Eine solche Vorrichtung ist an sich bekannt (US-A41 82483). Die hier verwendete Vorrichtung besitzt drei Membranen 13, 17, 22, deren oberste Steuermembran 13 einerseits mit dem Gasdruck des Brenngasstromes 7 vor der Brenngasdüse 2 andererseits mit dem Druck des Abgases 21 hinter einem Wärmetauscher 23 beaufschlagt wird. Der zuletzt genannte Druck wirkt gleichzeitig auf die zweite Steuermembran 22, die andererseits mit dem Druck des Abgases 21 vor dem Wärmetauscher 23 beaufschlagt wird. Dieser Druck wirkt außerdem auf eine Ausgleichsmembran 17, die andererseits vom Kaminsog beaufschlagt wird. Durch diese Anordnung der Membranen 13, 17, 22 wird der Differenzdruck am Einstellglied 4 zwischen dem Druck nach Wärmetauscher 23 und Kaminsog kompensiert und der Stelltrieb 9, der mit dem Einstellelement 4 den freien Strömungsquerschnitt 5 im Strömungsweg der Abgase 21 beeinflußt, von der Druckdifferenz am Wärmetauscher 23 und dem Differenzdruck ΔP□ gesteuert. Der Stelltrieb 9 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Stellstange, auf der einerseits die Membranen 13,17, 22 und andererseits das Einstellelement 4 befestigt ist.
- Die Besonderheiten dieser Anordnung bestehen darin, daß anstelle eines Mengenreglers im Wege des Verbrennungsluftstromes 1 der Druckabfall am Wärmetauscher 23 im Strömungsweg der Abgase 21 - deren Menge der Verbrennungsluftmenge proportional ist - verwendet wird. Obwohl die Strömungscharakteristik der Abgase im Wärmetauscher 23 weitestgehend laminar ist, während die der Brennerdüse des Brenngasverbrauchers 2 vorzugsweise turbulent ist, wird auch bei dieser Art des Steuerung bzw. Regelung die Luftzahl bei Laständerungen praktisch konstant gehalten. Das ist möglich, weil die Temperatur der Abgase 21 mit steigender Belastung ansteigt und der Strömungswiderstand, bezogen auf gleichen Mengendurchsatz, etwa proportional zur 1,8ten Potenz der Abgastemperatur wächst. Aus diesem Grunde wirkt der Wärmetauscher 23 (bei Wärmebelastungswechsel) ähnlich wie ein Strömungswiderstand mit turbulenter Strömungscharakteristik im kalten Verbrennungsluftstrom 1. Die eingangs genannte Angleichung der Strömungscharakteristik kann in diesem Falle durch entsprechende Ausbildung der Gasaustrittsöffnung (z. B. in Form einer Langlochdüse) erfolgen.
- In allen Fällen wird erreicht, daß der Verbrennungsluftdurchsatz proportional zum Brenngasdurchsatz verändert wird, wobei die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen weitgehend konstant gehalten wird. Die Luftzahl wird insbesondere auch dann konstant gehalten, wenn der Schornsteinzug - infolge langsamer Erwärmung des Schonsteines nach einer länger andauernden Regelabschaltung des Brenngasverbrauchers 2 oder infolge atmosphärischer Einflüsse - sich ändert. Daher kann bei Brenngasverbrauchern 2 mit atmosphärischen Brennern auf die sonst notwendige Strömungssicherung verzichtet werden, wodurch deren negative Auswirkungen auf den Schornsteinzug, insbesondere bei mehrfach belegten Schornsteinen, vermieden werden.
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