EP0158842B1 - Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle - Google Patents

Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle Download PDF

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EP0158842B1
EP0158842B1 EP85103055A EP85103055A EP0158842B1 EP 0158842 B1 EP0158842 B1 EP 0158842B1 EP 85103055 A EP85103055 A EP 85103055A EP 85103055 A EP85103055 A EP 85103055A EP 0158842 B1 EP0158842 B1 EP 0158842B1
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Vaillant Austria GmbH
COFRABEL NV
Joh Vaillant GmbH and Co
Vaillant GmbH
Vaillant SARL
Vaillant Ltd
SCHONEWELLE BV
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    • F23N2233/02—Ventilators in stacks
    • 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 independent claim.
  • a device for heat sources for displaying heat loss or thermal performance contains a Wheatstone bridge with two resistance branches, in which in one branch a resistor is assigned to the exhaust gas path and another resistor to the supply air path.
  • control device which can also be used for low outputs and which also responds to disturbance variables for the stoichiometric combustion ratio and is insensitive and inexpensive.
  • Figure one is a schematic diagram of a fuel-heated heat source and Figure two is an electrical circuit.
  • a fuel-heated heat source is shown in FIG. This can be a boiler, a water storage tank, a water heater for hot water preparation or a circulating water heater for feeding 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 goes out, 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 outer 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 resier 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 being connected to one another and this connection point forming 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 throughput of supply air and exhaust gas takes place at both resistors, 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 therefore 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 will be lower 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. However, this regulation only works on the assumption that the temperature of the fresh air does not change.
  • 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 in order to ensure stoichiometric combustion.
  • the bridge would also be detuned.
  • Resistor 48 is used to zero the bridge and to set the CO 2 content, which is analogous to the 0 2 content of the supply air.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
  • Eine solche Regeleinrichtung ist bekannt aus der EP-A 103 303. Bei dieser bekannten Lösung ist es nachteilig, daß auf das optimale Brennstoff-Luftverhältnis einwirkende Störgrößen wie Temperaturänderung der zuströmenden Frischluft wie auch Temperaturänderungen des Abgases aufgrund von Belastungsänderungen nicht erfaßt werden können.
  • Aus der GB-A-457 111 ist eine Einrichtung bei Wärmequellen zu Anzeigen von Wärmeverlusten oder der thermischen Leistung bekanntgeworden. Diese Einrichtung enthält eine Wheatstone-Brücke mit zwei Widerstandsästen, bei der in einem Ast ein Widerstand dem Abgasweg und ein weiterer Widerstand dem Zuluftweg zugeordnet ist.
  • Aus der US-A-2 723 559 ist gleichfalls eine dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs entsprechende Regeleinrichtung bekanntgeworden, bei der zwei eigentliche Meßfühler dem Zuluftbeziehungsweise dem Abgasweg der Wärmequelle zugeordnet sind. Beide sind in einer Widerstandsbrücke gekoppelt. Hierbei geht es darum, den Wirkungsgrad einer Wärmequelle durch genaue Steuerung der aus dem Brennstoff erzeugten Wärme sicherzustellen.
  • Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine auch für kleine Leistungen benutzbare Regeleinrichtung zu schaffen, die auch auf Störgrößen für das stöchiometrische Verbrennungsverhältnis anspricht und hierbei 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 Erfindung anhand der Figuren eins und zwei der Zeichnung .näher erläutert.
    Es zeigen
  • Figur eins eine Prinzipdarstellung einer brennstoffbeheizten Wärmequelle und
    Figur zwei eine elektrische Schaltung.
  • In beiden Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
  • In der Figur eins ist eine brennstoffbeheizte Wärmequelle abgebildet. Bei dieser kann es sich um einen Kessel, einen 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 Resier 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. Würde 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 Wärmeleitfähigkeit 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 Kompensationstemperaturfühler 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 Kompensationstemperaturfühler 32 vorgesehen, aer dem Abgasweg ausgesetzt ist. Der Widerstand 48 dient dem Nullabgleich der Brücke und Sollwertvorgabe der CO2-Gehaltes, der analog für den 02-Gehalt der Zuluft steht.
  • Bei der beschriebenen Regeleinrichtung wird durch nicht dargestellte Mittel sichergestellt, daß ein bestimmter Luftüberschuß 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 (2)

1. Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle (1) mit einem Meßglied (40) zur Ermittlung eines Ist-Wertes in Abhängigkeit wenigstens der Zuluft, sowie einem Regler (11), der im Abhängigkeit des Ist-Wertes und eines Soll-Wertes von einem SollWertgeber (48) ein Stellglied (17) beaufschlagt zur Regelung der, der Wärmequelle zustömenden Frischluft, 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 Temperaturkompensationsfühler (32, 33) für die Temperaturänderungen der zuströmenden Frischluft wie auch des Abgases aufgrund von Belastungsänderungen vorgesehen sind, und daß die Temperaturfühler als Meßwiderstände ausgebildet sind sowie 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.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Kompensationsfühler 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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