EP0158842A1 - Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle - Google Patents

Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle Download PDF

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EP0158842A1 EP85103055A EP85103055A EP0158842A1 EP 0158842 A1 EP0158842 A1 EP 0158842A1 EP 85103055 A EP85103055 A EP 85103055A EP 85103055 A EP85103055 A EP 85103055A EP 0158842 A1 EP0158842 A1 EP 0158842A1
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COFRABEL NV
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Vaillant GmbH
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    • F23N2233/04—Ventilators in stacks with variable speed

Definitions

  • the present invention relates to a control device for the fuel-air ratio of a fuel-heated heat source according to the preamble of the main claim.
  • Ratios of this kind are known. They are based essentially on the measurement of the oxygen partial pressure in the exhaust gases of the fuel-heated heat source.
  • the oxygen partial pressure sensors used there have proven to be very expensive and very sensitive, so that their use has only been put into practice in large industrial furnaces.
  • control device which can be used for small outputs and which is insensitive and inexpensive.
  • a fuel-heated heat source is shown in ligur eins. In this it can be a boiler, a water tank, a water heater for domestic water treatment or a circulating water heater to feed a central heating system.
  • a circulating water heater 1 is shown which has a housing 2 which encloses a combustion chamber 3.
  • the combustion chamber contains a heating shaft 4, which has a heat exchanger 5, from which a flow line 7 provided with a flow temperature sensor 6, which is connected via a series or parallel connection of a plurality of radiators to a return line 8, into which a circulation pump 9 is switched on , wherein the return line 8 is connected to the heat exchanger 5 again.
  • the flow temperature sensor 6 is connected to a controller 11 via a measuring line 10.
  • the fuel-heated heat source 1 is connected to the atmosphere via a pipe arrangement 12, the pipe arrangement being formed from an internal exhaust pipe 13 and an external pipe 15 spaced apart from the inner pipe 13 via a supply air ring duct 14.
  • the inner tube 13 is connected in the interior of the combustion chamber 3 to an outlet connection 16 of a blower 18 driven by an electric motor 17.
  • the motor is connected to the controller 11 via a line 19.
  • the intake port of the blower 18 protrudes into the interior 20 inside the heating shaft 4 downstream of the heat exchanger.
  • a throttle orifice 23 is provided in the annular channel downstream of the sensor 21, and a pneumatic measuring line 24 opens upstream of the orifice 23, which is connected at its other end to a diaphragm actuator 25, which is connected via an actuating rod 26 to a gas valve 27, which is a burner 28 feeds via a gas line 29.
  • a further sensor 30, designed as a platinum resistor, is assigned to the exhaust gas duct in the interior of the inner tube 13 and is connected to the controller 11 via lines 31.
  • the two platinum wire sensors 21 and 30 form the actual measuring elements of the controller 11.
  • Two further compensation temperature sensors 32 and 33 are provided, which are equally connected to the controller 11 via lines 34 and 35.
  • a Wheatstone bridge 40 is provided, which has two branches 41 and 42, which in turn each have two branches.
  • the branch 41 is formed from the series connection of the two sensor platinum resistors 21 and 30, the lines 22 and 31 are connected to one another and this connection point forms the one point of the bridge diagonal which is connected to the controller 11 via a line 43.
  • the second branch 42 consists of the compensation sensors 32 and 33, which are connected in series by connecting the lines 34 and 35.
  • the connection point of the two lines 34 and 35 forms the other point of the bridge diagonal and is connected to the controller 11 via a line 44.
  • the connections of lines 22 and 35 or 31 and 34 form the feed points for a DC voltage source 45, which are connected via lines 46 and 47 to the corresponding injection points of the bridge.
  • FIG. 2 shows, it can be expedient to arrange a further adjustable resistor 48 in the branch of the bridge 40, which has the compensation temperature sensor 32, the function of which will be discussed later.
  • the function of the control device is as follows, it being initially assumed that the heat source only works at full load.
  • the two sensors 21 and 30 are heated by the supply voltage source 45 and are cooled by the passing air or exhaust gas flow. Since their resistance values and the temperature behavior of the change in resistance are the same and because the same on both resistors Throughput of supply air and exhaust gas takes place, the voltage difference across the resistors is a direct measure of the condition of the gas.
  • oxygen is converted into carbon dioxide, so that the thermal conductivity of the exhaust gas changes compared to that of the air.
  • the voltage difference between the two sensors is a direct measure of the carbon dioxide content of the exhaust gas. If the burner 28 were not in operation, both measuring resistors would only be exposed to the fresh air and the voltage difference signal would be zero. If the one gas (the exhaust gas) is not pure air but contains carbon dioxide, the thermal conductivity of this gas is reduced because the thermal conductivity of carbon dioxide is lower than that of air. The platinum wire of the sensor 30 cools less so that the electrical resistance is greater than if it were exposed to the air. The Wheatstone bridge 40 is no longer adjusted, the bridge diagonal voltage is proportional to the C0 2 concentration. With this voltage signal, the controller 11 can adjust the speed of the fan 17 in order to regulate an optimal fuel-air ratio.
  • This regulation only works on the assumption that the temperature of the fresh air does not change. However, this may well be the case, and the first compensation temperature sensor 33 is provided for this.
  • This is also a platinum resistor. This platinum resistor is arranged in the fresh air path and compensates for the effects of a change in temperature of the supply air on the detuning of the Wheatstone bridge 40.
  • the heat source is not always operated only with full load, but with a load that changes continuously or in stages.
  • a constantly changing load can result.
  • a specific fuel throughput is initially specified, that is to say a specific opening of the fuel valve 27.
  • the corresponding throughput of fresh air must now be created to ensure stoichiometric combustion.
  • the bridge would also be detuned.
  • a second compensation temperature sensor 32 is provided, which is exposed to the exhaust gas path. Resistor 48 is used to zero the bridge and to set the setpoint C0 2 content, which stands for the 0 2 content of the supply air.
  • means ensure that a certain air excess cannot be undershot, in which case the heat source can be shut down or a maximum air excess can occur, for example in this case the fan could be adjusted to the maximum speed.

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Abstract

Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis eines gasbeheizten Umlaufwasserheizers, wobei die Zuluftzu- und Abgasabfuhr über zwei konzentrische Rohrleitungen vorgenommen wird mit einem Meßglied, das aus vier Temperaturfühlern besteht, von denen zwei als eigentliche meßfühler dem Zuluftzu- und dem Abgasabfuhrweg zugeordnet sind, während die anderen beiden als Temperaturkompensationsfühler für die Temperaturänderungen der zuströmenden Zuluft wie auch des Abgases auf Grund von Belastungsänderungen vorgesehen sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
  • Solche Verhältnisregelungen sind bekannt. Sie beruhen im wesentlichen auf der Messung des Sauerstoffpartialdrucks in den Abgasen der brennstoffbeheizten Wärmequelle. Die dort verwendeten Sauerstoffpartialdruck-Meßfühler haben sich jedoch als sehr teuer und sehr empfindlich erwiesen, so daß ihre Anwendung nur bei industriellen Großfeuerungen in die Praxis umgesetzt wurde. Es besteht aber ein lebhaftes Bedürfnis, auch bei Kleinleistungen bis herab zu sieben bis acht Kilowatt Feuerstätten mit einem optimalen Brennstoff-Luftverhältnis zu betreiben, um hier bei der Masse der Haushalte Energie sparen zu cönnen.
  • Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine euch für kleine Leistungen benutzbare Regeleinrichtung zu schaffen, die unempfindlich und preiswürdig ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
  • weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Er- findung anhand der Figuren eins und zwei der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigrn
    • Figur eins eine Prinzipdarstellung einer brennstoffbeheizten Wärmequelle und
    • Figur zwei eine elektrische Schaltung.
  • In beidon Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
  • In der ligur eins ist eine brennstoffbeheizte Wärmequelle abgebildet. Bei dieser kann es sich um einen Kessel, ei- nen Wasserspeicher, einen Durchlauferhitzer für Brauchwasserbereitung oder einen Umlaufwasserheizer zur Speisung einer Zentralheizungsanlage handeln. Dargestellt ist ein Umlaufwasserheizer 1, der ein Gehäuse 2 aufweist, das eine Brennkammer 3 umschließt. Die Brennkammer enthält einen Heizschacht 4, der einen Wärmetauscher 5 aufweist, von dem eine mit einem Vorlauftemperaturfühler 6 versehene Vorlaufleitung 7 abgeht, die über eine Serien-oder Parallelschaltung einer Vielzahl von Radiatoren mit einer Rücklaufleitung 8 verbunden ist, in die eine Umwälzpumpe 9 eingeschaltet ist, wobei die Rücklaufleitung 8 wieder mit dem Wärmetauscher 5 verbunden ist. Der Vorlauftemperaturfühler 6 ist über eine Meßleitung 10 mit einem Regler 11 verbunden. Die brennstoffbeheizte Wärmequelle 1 ist über eine Rohranordnung 12 mit der Atmosphäre verbunden, wobei die Rohranordnung aus einem innenliegenden Abgasrohr 13 und einem außenliegenden über einen Zuluftringkanal 14 im Abstand zum Innenrohr 13 stehenden Außenrohr 15 gebildet wird. Das Innenrohr 13 ist im Inneren der Brennkammer 3 mit einem Austrittsstutzen 16 eines von einem Elektromotor 17 angetriebenen Gebläses 18 verbunden. Der Motor ist über eine Stelleitung 19 mit dem Regler 11 verbunden. Der Ansaugstutzen des Gebläses 18 ragt in den Innenraum 20 innerhalb des Heizschachtes 4 stromab des Wärmetauschers.
  • Dem im Ringkanal 14 strömenden Zuluftstrom ist ein Platinmeßwiderstand 21 ausgesetzt, der über ein Leitungspaar 22 mit dem Regler 11 verbunden ist. Im Ringkanal ist stromab des Meßfühlers 21 eine Drosselblende 23 vorgesehen, stromauf der Meßblende 23 mündet eine pneumatische Meßleitung 24, die auf ihrem anderen Ende mit einem Membranstellmotor 25 verbunden ist, der über eine Stellstange 26 mit einem Gasventil 27 verbunden ist, das einen Brenner 28 über eine Gasleitung 29 speist.
  • Dem Abgaskanal im Inneren des Innenrohres 13 ist ein weiterer als Platinwiderstand ausgebildeter Meßfühler 30 zugeordnet, der über Leitungen 31 mit dem Regler 11 verbunden ist. Die beiden Platindrahtmeßfühler 21 und 30 bilden die eigentlichen Meßglieder des Reglers 11.
  • Es sind zwei weitere Kompensationstemperaturfühler 32 und 33 vorgesehen, die über Leitungen 34 und 35 gleichermaßen mit dem Regler 11 verbunden sind.
  • Aus der Figur zwei geht die Verschaltung der Meßfühler und der Kompensationsfühler hervor.
  • Es ist eine Wheatstonesche Brücke 40 vorgesehen, die zwei Äste 41 und 42 aufweist, die ihrerseits je zwei Zweige aufweisen. Der Ast 41 wird aus der Serienschaltung der beiden Meßfühler-Platinwiderstände 21 und 30 gebildet, wobei die Leitungen 22 und 31 miteinander verbunden sind und diese Verbindungsstelle den einen Punkt der Brückendiagonale bildet, die über eine Leitung 43 mit dem Regler 11 verbunden ist. Der zweite Ast 42 besteht aus den Kompensationsfühlern 32 und 33, die in Serie durch Verbindung der Leitungen 34 und 35 geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der beiden Leitungen 34 und 35 bildet den anderen Punkt der Brückendiagonale und ist über eine Leitung 44 mit dem Regler 11 verbunden. Die Verbindungen der Leitungen 22 und 35 beziehungsweise 31 und 34 bilden die Einspeisungspunkte für eine Gleichspannungsspeisequelle 45, die über Leitungen 46 und 47 mit den entsprechenden Einspritzpunkten der Brücke verbunden sind.
  • Wie die Figur zwei zeigt, kann es zweckmäßig sein, in dem Ast der Brücke 40, der den Kompensationstemperaturfühler 32 aufweist, einen weiteren einstellbaren Widerstand 48 anzuordnen, auf dessen Funktion später noch eingegangen wird. Die Funktion der Regeleinrichtung stellt sich wie folgt dar, wobei zunächst davon ausgegangen wird, daß die Wärmequelle nur im Vollastbetrieb arbeitet. Die beiden Meßfühler 21 und 30 werden von der Speisespannungsquelle 45 beheizt und werden vom vorbeistreichenden Luft- beziehungsweise Abgasstrom gekühlt. Da ihre Widerstandswerte und das Temperaturverhalten der Widerstandsänderung gleich ist und da an beiden Widerständen der gleiche Durchsatz an Zuluft sowie Abgas stattfindet, ist die an den Widerständen abfallende Spannungsdifferenz unmittelbar ein Maß für den Zustand des Gases. Durch die Mitwirkung der Zuluft an der Verbrennung des Gases wird Sauerstoff in Kohlendioxyd umgewandelt, so daß sich die Wärmeleitfähigkeit des Abgases gegenüber der der Luft ändert. Somit Ist die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Meßfühlern unmittelbar ein Maß für den Kohlendioxydgehalt des Abgases. WUrde der Brenner 28 nicht in Betrieb sein, so wären beide Meßwiderstände nur der Frischluft ausgesetzt und das Spannungsdifferenzsignal wäre Null. Ist somit das eine Gas (das Abgas) nicht reine Luft, sondern enthält es Kohlendioxyd, so wird die Wäraeleitfähigkeit dieses Gases geringer, weil die Wärmeleitfähigkeit von Kohlendioxyd geringer ist als die von Luft. Der Platindraht des Fühlers 30 kühlt sich weniger ab, so daß der elektrische Widerstand größer ist, als wenn er der Luft ausgesetzt wäre. Die Wheatstonesche Brücke 40 ist nicht mehr abgeglichen, die Brückendiagonalspannung ist der C02-Konzentration proportional. Mit diesem Spannungssignal kann der Regler 11 die Drehzahl des Ventilators 17 nachstimmen, um so ein optimales Brennstoff-Luftverhältnis einzuregeln. Diese Regelung funktioniert aber nur unter der Annahme, daß sich die Temperatur der Frischluft nicht ändert. Dies kann aber durchaus der Fall sein, und hierfür ist der erste KompensationstemperaturfUhler 33 vorgesehen. Bei diesem handelt es sich gleichermaßen um einen Platinwiderstand. Dieser Platinwiderstand ist im Frischluftweg angeordnet und gleicht die Einflüsse einer Temperaturänderung der Zuluft auf die Verstimmung der Wheatstoneschen Brücke 40 aus.
  • Weiterhin könnte es vorteilhaft sein zu berücksichtigen, daß die Wärmequelle nicht immer nur mit Vollast, sondern mit einer sich stetig oder stufenweise ändernden Last betrieben wird. Zum Beispiel im Falle einer außentemperaturabhängigen Steuerung der Wärmelieferung durch die Wärmequelle kann eine sich stetig ändernde Belastung die Folge sein. Hierzu wird zunächst ein bestimmter Brennstoffdurchsatz vorgegeben, also eine bestimmte öffnung des Brennstoffventils 27. Hierzu muß nun der entsprechende Durchsatz an Frischluft geschaffen werden, um eine stöchiometrische Verbrennung sicherzustellen. Da die Temperatur des Abgases von der Belastung abhängig ist und mit steigender Teillast sinkt, würde die Brücke ebenfalls verstimmt werden. Um diese Eigenschaft zu kompensieren, ist ein zweiter KompensationstemperaturfUhler 32 vorgesehen, der dem Abgasweg ausgesetzt ist. Der Widerstand 48 dient dem Nullabgleich der Brücke und Sollwertvorgabe der C02-Gehaltes, der analog für den 02-Gehalt der Zuluft steht.
  • Bei der beschriebenen Regeleinrichtung wird durch nicht dargestellte Mittel sichergestellt, daß ein bestimmter LuftUberschuß nicht unterschritten werden kann, in diesem Fall könnte es zu einer Störabschaltung der Wärmequelle oder zu einem maximalen Luftüberschuß kommen, beispielsweise könnte in diesem Fall der Ventilator auf maximale Drehzahl verstellt werden.

Claims (3)

1. Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle mit einem Meßglied für das Ist-Verhältnis, einem Sollwertgeber sowie einem Regler und einem Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied aus vier Temperaturfühlern besteht, von denen zwei als eigentliche Meßfühler (21, 30) dem Zuluft-(14) und dem Abgasweg (13) der Wärmequelle (1) zugeordnet sind, während die beiden anderen als TemperaturkompensationsfUhler (32, 33) für die Temperaturänderungen der zuströmenden Frischluft wie auch des Abgases aufgrund von Belastungsänderungen vorgesehen sind.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch eins, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler als Meßwiderstände ausgebildet sind und in Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke (40) angeordnet sind, wobei jeweils ein Ast (41, 42) von den beiden Meßwiderständen und der andere von den beiden Kompensationswiderständen gebildet ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch zwei, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und KompensationsfUhler aus gleichen Platindrahtwiderständen gebildet sind.
EP85103055A 1984-03-30 1985-03-16 Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle Expired EP0158842B1 (de)

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ATE41501T1 (de) 1989-04-15
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