EP0275439A1 - Einrichtung zur Leistungsregelung von brennstoffbefeuerten Wärmeerzeugern - Google Patents

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Abstract

Brennstoffbefeuerte Wärmeerzeuger müssen mit einem in engen Grenzen einzuhaltenden Brennstoff/Luft-Verhältnis arbeiten. Bei konstanter Heizleistung kann hierzu einer zeitlich konstanten Brennstoffmenge eine Luftmenge zugemischt werden, deren Strömungsgeschwindigkeit mittels eines Gebläses konstant gehalten wird. Es besteht ein Bedürfnis nach Wärmeerzeugern, deren Heizleistung trotz Verwendung einer derart einfachen Einrichtung zur Leistungsregelung wenigstens stufenweise veränderbar ist. Zur stufenweisen Erhöhung der Heizleistung wird der Hauptleitung (2) wenigstens eine Nebenleitung (21) parallel geschaltet, in der sich das gleiche Brennstoff/Luft-Gemisch einstellt wie in der Hauptleitung, wenn in der Hauptleitung die vorgegebene Luftmenge gefördert wird. Bevorzugte Anwendung finden solche Einrichtungen bei Wärmeerzeugern für kleine Zentralheizungsanlagen mit Warmwasserbereitung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Leistungsrege­lung von brennstoffbefeuerten, insbesondere gasbefeuerten Wärmeerzeugern, mit einem Brenner, einer den Brenner mit einer Lufteintrittsöffnung verbindenden Hauptleitung, einem in der Hauptleitung angeordneten Strömungssensor, einer in die Hauptleitung im Bereich zwischen dem Strömungssensor und dem Brenner mündenden Brennstoffleitung, über die der Haupt­leitung eine vorgegebene, zeitlich konstante Brennstoffmenge zugeführt wird, einem mit der Hauptleitung in Wirkverbindung stehenden, den Luftdurchsatz in der Hauptleitung bestimmen­den Gebläse und einer die Förderleistung des Gebläses in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Strömungssensors und ggf. weiteren, das optimale Brennstoff/Luft-Verhältnis beeinflussenden Größen steuernden Regeleinrichtung.
  • Ein mit Gas als Brennstoff arbeitender Wärmeerzeuger mit einer solchen Einrichtung ist in einem Prospekt Nr. 1.23.202320 der Anmelderin beschrieben. Ein solcher Wärmeerzeuger läßt sich für eine vorgegebene Heizleistung optimal einstellen, indem die zum Erreichen dieser Heizlei­stung benötigte Brennstoffmenge fest vorgegeben und die zur optimalen Verbrennung benötigte Luft geregelt zugeführt wird. Die Regelung der Luftzufuhr erfolgt mit Hilfe des Gebläses, dessen Leistung so gesteuert wird, daß die von dem Strömungssensor ermittelte Luftgeschwindigkeit auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, der von der Regeleinrich­tung in Abhängigkeit von die zugeführte Luftmenge beeinflu­senden Größen, insbesondere in Abhängigkeit von der Lufttem­peratur, verändert werden kann.
  • Die bekannte Einrichtung hat den Vorteil, daß sie keine komplizierten Regelkreise benötigt, um bei sich ändernder Heizleistung die zugeführte Brennstoffmenge zu ändern und für die jeweilige Brennstoffmenge die optimale Luftmenge zur Verfügung zu stellen. Vielmehr genügt es, wenn eine vermin­derte Heizleistung gefordert wird, den Feuerungsautomaten periodisch an- und auszuschalten, wie es bei Zentralhei­zungsanlagen allgemein üblich ist. Bei solchen Feuerungs­automaten ist die Nennleistung normalerweise auf den maxi­malen Wärmebedarf der Zentralheizungsanlage eingestellt. Bei Zentralheizungen von Einfamilienhäusern, Etagenwohnungen u. dgl. ist der Wärmebedarf nicht sehr hoch, zumal zunehmend wärmedämmende Maßnahmen Anwendung finden, die den Wärmebe­darf stark vermindern. Andererseits werden die Feuerungs­automten solcher Zentralheizungen gleichzeitig auch zur Warmwasserbereitung benutzt. Der Wärmebedarf von Anlagen zur Warmwasserbereitung ist sehr viel größer als der von Zen­tralheizungen, wenn nicht sehr große Warmwasser-Speicherein­richtungen vorgesehen sind und kein empfindlicher Mangel an Warmwasser in Kauf genommen werden soll. Andererseits wäre es sehr unwirtschaftich, den Feuerungsautomaten für eine Wärmeleistung auszulegen, die unter normalen Heizbedingungen die für die Warmwasserbereitung erforderliche Wärmemenge liefern würde. Für die Wirtschaftlichkeit und für den Kom­fort einer Zentralheizungsanlage ist es nämlich von Bedeu­tung, daß die Brennzeit des Wärmeerzeugers möglichst groß ist, die Wärmeleistung den Wärmebedarf also nicht wesentlich überschreitet. Eine Änderung der Wärmeleistung durch Erhöhen der der Hauptleitung zugeführten Brennstoffmenge bei gleich­zeitiger Erhöhung der zugeführten Luftmenge würde jedoch wiederum schwierige Regelvorgänge erfordern, weil es schon bei geringen Abweichungen von dem optimalen Mischungsver­hältnis von Brennstoff und Luft zur Entstehung von Schad­stoffen und schließlich zu einem Ersticken oder Abreißen der Flammen und damit zu einem Ausgehen des Brenners kommen kann, was zur Folge hätte, daß der Brenner auf Störung ginge und erst von Hand wieder in Betrieb genommen werden müßte. Der Benutzer eines leistungsgeregelten Wärmeerzeugers will sich jedoch darauf verlassen können, daß sein Gerät stö­rungsfrei arbeitet und nicht bei plötzlichen Änderungen der Betriebszustände, wie sie eine Heißwasser-Entnahme dar­stellt, auf Störung geht.
  • Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wärmebedarf auf unterschiedliche Heizleistungen einstellbar ist, ohne daß die optimale Einstellung der Verbrennungsbedingungen ver­loren geht und ohne daß zum Aufrechterhalten dieser optima­len Bedingungen komplizierte Regeleinrichtungen erforderlich sind.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß dem den Strömungssensor und die Mündung der Brennstofflei­tung enthaltenden Abschnitt der Hauptleitung wenigstens eine Nebenleitung parallel geschaltet ist, in die eine weitere Brennstoffleitung mündet, über die der Nebenleitung eine vorgegebene, zeitlich konstante Brennstoffmenge zuführbar ist, die zu der der Hauptleitung zugeführten Brennstoffmenge in einem Verhältnis steht, das dem Verhältnis der durch die Haupt- und die Nebenleitung geförderten Luftmengen gleich ist, und daß die Nebenleitung und die ihr zugeordnete weite­re Brennstoffleitung wahlweise zuschaltbar und absperrbar sind.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt es, die Heizlei­stung durch Zu- bzw. Abschalten einer oder mehrerer Neben­leitungen zu verändern, ohne daß irgendwelche Änderungen an der Einstellung der Regeleinrichtung erforderlich sind. Wird nämlich beispielsweise bei der gerade herrschenden Gebläse­leistung eine Nebenleitung zugeschaltet, so verteilt sich die von dem Gebläse geförderte Luftmenge auf Haupt- und Nebenleitung, so daß die Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptleitung abfällt. Auf diesen Abfall der Strömungsge­schwindigkeit spricht der in der Hauptleitung angeordnete Strömungssensor an, der über die Regeleinrichtung eine Erhöhung der Förderleistung des Gebläses bewirkt, bis die Luft in der Hauptleitung ungeachtet der durch die erhöhte Heizleistung veränderten Strömungsbedingungen wieder die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit hat. Wenn sich in der Hauptleitung die vorgegebenen Verhältnisse wieder einge­stellt haben, wird durch die Nebenleitung eine zusätzliche Luftmenge mit der entsprechend dosierten Brennstoffmenge gefördert, die dem Querschnitt der Nebenleitung im Verhält­nis zum Querschnitt der Hauptleitung entspricht, ohne daß besondere Regeleinrichtungen für die Nebenleitung erforder­lich wären. Beim Abschalten der Nebenleitung tritt eine entsprechende Verminderung der geförderten Luft- und Brenn­stoffmenge und damit der Heizleistung ein.
  • Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß auf diese sehr einfa­che Weise eine stufenweise Erhöhung der Heizleistung möglich ist, beispielsweise beim Übergang vom normalen Heizbetrieb auf Warmwasserbereitung und umgekehrt. Es ist auch ersicht­lich, daß durch die Anordnung mehrerer Nebenleitungen, die wahlweise zuschaltbar sind, eine Änderung der Heizleistung in mehreren Stufen möglich ist. Dabei ergibt sich eine besonders einfache Ausbildung eines Wärmeerzeugers mit einer solchen Einrichtung dann, wenn die Haupt- und die Nebenlei­tungen mit ungedrosselten Lufteintrittsöffnungen oder einer gemeinsamen Eingangsleitung in Verbindung stehen und sich die zugeführten Brennstoffmengen wie die Querschnitte der Haupt- und der Nebenleitung verhalten. Um in einem solchen Falle Störungen durch eine schlagartige Änderung der Brenn­stoff-Zufuhr zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Ausfüh­rungsform der Erfindung vor, daß die Verstellgeschwindigkeit von in der Nebenleitung und in der weiteren Brennstoff­ leitung angeordneten Absperrorganen an die Änderungsge­schwindigkeit der Gebläseleistung angepaßt ist, so daß auch beim Übergang von der einen Leistungsstufe zur anderen das Brennstoff/Luft-Verhältnis im wesentlichen ungestört erhal­ten bleibt.
  • Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Erfindung auch die Möglichkeit bietet, eine stetige Regelung der Heizleistung vorzunehmen, indem der Durchsatz der Nebenleitung und ent­sprechend der weiteren Brennstoffleitung stetig veränderbar ist. Dabei muß natürlich dafür Sorge getragen werden, daß die der Nebenleitung zugeführte Brennstoffmenge im gleichen Verhältnis zu der der Hauptleitung zugeführten Brennstoff­menge steht wie der freigegebene Querschnitt der Nebenlei­tung zum Querschnitt der Hauptleitung, damit in der Neben­leitung das gleiche Brennstoff/Luft-Verhältnis herrscht wie in der Hauptleitung.
  • Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es besonders vorteilhaft, wenn das Gebläse in einer an den Wärmeerzeuger angeschlossenden Rauchgasleitung angeordnet ist, weil dann das Gebläse die Strömungsverhältnisse in der Hauptleitung nicht unmittelbar beeinflussen kann. Ein am Eingangsende der Leitungen angeordnetes Gebläse könnte nämlich die Verteilung der Luftströmung in der Hauptleitung und damit am Ort des Strömungssensors beeinflussen und damit zu Regelfehlern führen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entneh­menden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder in beliebiger Kombination Anwendung finden. Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmeerzeugers mit einer nach der Erfin­dung ausgebildeten Einrichtung zur Leistungsregelung.
  • Der in der Zeichnung dargestellte Wärmeerzeuger weist einen Brenner 1 auf, dem über eine Hauptleitung 2 ein Gas/Luft-­Gemisch zugeführt wird. Der Brenner 1 befindet sich inner­halb eines Kesselgehäuses 3, das auch den Wärmetauscher 4 einer Heizungsanlage umschließt. Das Kesselgehäuse 3 ist mit einem Abzug 5 für die Rauchgase versehen, in dem sich ein von einem Motor 6 angetriebenes Gebläse 7 befindet. Die Hauptleitung 2 verbindet den Brenner 1 mit einer Luftein­trittsöffnung 8. In die Hauptleitung 2 ragen weiterhin ein Temperatursensor 9 und ein Strömungssensor 10 hinein. Die Ausgangssignale dieser Sensoren 9, 10 werden einer Regelein­richtung 11 zugeführt. Im Bereich zwischen den Sensoren 9, 10 und dem Brenner 1 mündet in die Hauptleitung 2 eine Brennstoffleitung 13, die der Hauptleitung als Brennstoff Gas zuführt. In der Brennstoffleitung 13 befinden sich in der Strömungsrichtung des Gases hintereinander ein Gasdruck­regler 14 und ein Ventil 15, so daß der Hauptleitung 2 eine vorgegebene Gasmenge zugeführt wird. Um optimale Verbren­nungsverhältnisse zu haben, gehört zu der vorgegebenen Gasmenge eine genau bestimmte Luftmenge. Die Zufuhr der richtigen Luftmenge wird durch den Strömungssensor 10 über­wacht, dessen Ausgangssignal für die Strömungsgeschwindig­keit der Luft in der Hauptleitung 2 charakteristisch ist. Die auf diese Weise festgestellte Luftmenge ist noch von verschiedenen Einflußgrößen abhängig, insbesondere von der Temperatur, die von dem Temperatursensor 9 festgestellt wird. Die Regeleinrichtung 11 steuert in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Temperatursensors 9 und des Strö­mungssensors 10 die Drehzahl des zum Antrieb des Gebläses 7 dienenden Motors 6 in solcher Weise, daß in der Hauptlei­tung 2 die zur Zufuhr der richtigen Luftmenge erforderliche Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Damit ist auf sehr einfa­che Weise gewährleistet, daß optimale Verbrennungsbedingun­gen für das dem Brenner 1 zugeführte Gas vorliegen.
  • Der Hauptleitung 2 ist eine Nebenleitung 21 parallel ge­schaltet, die in die Haupleitung 2 im Bereich zwischen der Einmündung der Brennstoffleitung 13 und dem Brenner 1 mün­det. Ähnlich wie die Hauptleitung 2 hat auch die Nebenlei­tung 21 ein als Lufteintrittsöffnung 22 dienendes, offenes Ende. In der Praxis werden allerdings beide Leitungen meistens an eine gemeinsame Zuluftleitung angeschlossen sein. Ähnlich wie in die Hauptleitung 2 mündet auch in die Nebenleitung 21 eine Brennstoffleitung 23, die von der in die Hauptleitung 2 mündenden Brennstoffleitung 13 abzweigt. In dieser Brennstoffleitung 23 befindet sich ein Absperr­ventil 24. Auch in der Nebenleitung 21 befindet sich ein Absperrventil 25. Die Absperrventile 24 und 25 sind mit einem gemeinsamen Stellmotor 26 verbunden, der bei Bedarf das gemeinsamen Stellmotor 26 verbunden, der bei Bedarf das gemeinsame Öffnen bzw. Schließen der Absperrventile 24, 25 bewirkt.
  • Es ist ersichtlich, daß die Nebenleitung 21 ohne Einfluß ist, solange die Absperrventile 24, 25 geschlossen sind. Werden die Ventile 24, 25 geöffnet, so verteilt sich die von dem Gebläse 7 geförderte Luft auf die Hauptleitung 2 und die Nebenleitung 21 im Verhältnis der Querschnitte dieser Lei­tungen, da diese Querschnitte den Strömungswiderstand be­stimmen. Demgemäß sinkt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Hauptleitung 2 ab, worauf der Strömungssensor 10 anspricht. Das der Regeleinrichtung 11 vom Strömungssen­sor 10 zugeführte Signal veranlaßt daher die Regeleinrich­tung, die Drehzahl des Motors 6 und damit die Leistung des Gebläses 7 zu erhöhen, bis in der Hauptleitung wiederum die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Die Lei­stungserhöhung des Gebläses wird dabei erheblich größer sein müssen als es der zusätzlichen Fördermenge entspricht, weil der Durchsatzwiderstand des Wärmeerzeugers mit steigender Heizleistung zunimmt. Infolge der Regelung der Strömungsge­schwindigkeit der Luft in der Hauptleitung bleiben diese Größen jedoch ohne direkten Einfluß. Wenn die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptleitung wieder erreicht ist, hat sich die dem Brenner 1 zugeführte Gesamtluftmenge entsprechend dem Verhältnis der Querschnitte von Haupt- und Nebenleitung vergrößert. Über die Brennstoffleitung 23 wird der Nebenleitung 21 eine konstante Gasmenge zugeführt, die zu der der Hauptleitung 2 zugeführten Gasmenge in dem glei­chen Verhältnis steht wie die durch die beiden Leitungen geförderten Luftmengen. Damit ergibt sich automatisch auch für die Nebenleitung das richtige Brennstoff/Luft-Verhält­nis, obwohl dieses Verhältnis nur in der Hauptleitung über­wacht wird. Es läßt sich daher durch Zu- und Abschalten der Nebenleitung die Leistung des Brenners 1 sprunghaft um den Betrag vergrößern bzw. verkleinern, der der Energie des über die Nebenleitung 21 zugeführten Brennstoff/Luft-Gemisches entspricht. Dabei werden ohne zusätzlichen Regelaufwand in beiden Leistungsstufen optimale Verbrennungsverhältnisse gewährleistet.
  • Allerdings kann sich in der Übergangsphase beim Öffnen oder Schließen der Nebenleitung ein ungünstiger Betriebszustand einstellen, weil nach dem Öffnen der Absperrventile 24, 25 die Brennstoffzufuhr durch Öffnen der Brennstoffleitung 23 plötzlich erhöht wird, der Motor aber eine gewisse Zeit braucht, bis er seine erhöhte Leistung erreicht hat, so daß zunächst die zugeführte Menge an Verbrennungsluft zu gering ist. Umgekehrt würde beim Abschalten der Nebenleitung die Brennstoffmenge plötzlich verringert, ohne daß sofort die Luftmenge entsprechend reduziert wird, so daß dann mit einem großen Luftüberschuß gearbeitet würde. In beiden Fällen könnte es zu einem Erlöschen der Flammen kommen, so daß der Brenner in üblicher Weise auf Störung gehen würde. Solche Störungen treten allerdings dann nicht auf, wenn der Brenner intermittierend betrieben wird und Veränderungen des Be­triebszustandes stets in den Abschaltpausen vorgenommen werden, so daß der Brenner jeweils mit einem vorgegebenen, definierten Leistungszustand anfährt. Es ist jedoch auch ein Übergang von dem einen Leistungszustand zu dem anderen dann problemlos möglich, wenn das Öffnen bzw. Schließen der Absperrventile 24, 25 mittels des Motors 26 etwa mit der gleichen Geschwindigkeit stattfindet wie die Drehzahlände­rung des das Gebläse 7 antreibenden Motors 6, so daß auch während der Umschaltphase das optimale Brennstoff/Luft-Ge­misch erhalten bleibt.
  • Es ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf das darge­stellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Abwei­chungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So besteht die Möglichkeit, nicht nur eine, sondern auch zwei und mehr Nebenleitungen vorzusehen, die in beliebiger Anzahl zu- und abgeschaltet werden können, um unterschiedliche Leistungsstufen des Wärmeerzeugers einzu­stellen. In allen Fällen ist die Überwachung der Strömungs­geschwindigkeit der Luft in der Hauptleitung 2 ausreichend, um optimale Verbrennungsverhältnisse einzuhalten, da sich in allen offenen Parallelleitungen genau das gleiche Brenn­stoff/Luft-Verhältnis einstellt wie in der Hauptleitung. Dabei ist noch von besonderem Vorteil, daß bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Wärmeerzeuger keine sehr hohen Anforderungen an die Dichtigkeit der Absperrventile für die Nebenleitungen gestellt zu werden brauchen, da die Nebenlei­tungen stets einem von dem Gebläse 7 erzeugten Unterdruck ausgesetzt sind, so daß etwaige Leckgasmengen stets dem Brenner 1 zugeführt werden und keine gefährlichen Gemische bilden können. Es ist auch ersichtlich, daß die erfindungs­gemäße Ausbildung des Wärmeerzeugers die Erstellung von Kesseln ermöglicht, deren Heizleistung nicht nur beispiels­weise unterschiedlichen Wetterbedingungen anpaßbar ist, sondern die auch zu- und abschaltbare Verbraucher mit ggf. getrennten Wärmetauschern haben können, wie beispielsweise Wärmetauscher für ein oder mehrere getrennte Heizungskreis­läufe sowie für einen oder mehrere Einrichtungen zur Warm­wasserbereitung, sei es im Speicherverfahren oder im Durch­laufverfahren.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Leistungsregelung von brennstoffbefeu­erten, insbesondere gasbefeuerten Wärmeerzeugern, mit einem Brenner, einer den Brenner mit einer Luftein­trittsöffnung verbindenden Hauptleitung, einem in der Hauptleitung angeordneten Strömungssensor, einer in die Hauptleitung im Bereich zwischen dem Strömungssen­sor und dem Brenner mündenden Brennstoffleitung, über die der Hauptleitung eine vorgegebene, zeitlich kon­stante Brennstoffmenge zugeführt wird, einem mit der Hauptleitung in Wirkverbindung stehenden, den Luft­durchsatz in der Hauptleitung bestimmenden Gebläse und einer die Förderleistung des Gebläses in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Strömungssensors und ggf. weiteren, das optimale Brennstoff/Luft-Verhältnis beeinflussenden Größen steuernden Regeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß dem den Strömungssensor (10) und die Mündung der Brennstoffleitung (13) enthaltenden Abschnitt der Hauptleitung (2) wenigstens eine Nebenleitung (21) parallel geschaltet ist, in die eine weitere Brenn­stoffleitung (23) mündet, über die der Nebenleitung (21) eine vorgegebene, zeitlich konstante Brennstoff­menge zuführbar ist, die zu der der Hauptleitung (2) zugeführten Brennstoffmenge in einem Verhältnis steht, das dem Verhältnis der durch die Haupt- und die Neben­leitung geförderten Luftmengen gleich ist, und daß die Nebenleitung (21) und die ihr zugeordnete weitere Brennstoffleitung (23) wahlweise zuschaltbar und absperrbar sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und die Nebenleitungen (2, 21) mit ungedrosselten Lufteintrittsöffnungen (8, 22) oder einer gemeinsamen Eingangsleitung in Verbindung stehen und sich die zugeführten Brennstoffmengen wie die Querschnitte der Haupt- und der Nebenleitungen verhal­ten.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Verstellgeschwindigkeit von in der Nebenleitung (21) und in der weiteren Brennstoff­leitung (23) angeordneten Absperrorganen (25, 24) an die Änderungsgeschwindigkeit der Gebläseleistung angepaßt ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Neben­leitung (21) und entsprechend der weiteren Brenn­stoffleitung (23) stetig veränderbar ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (7) in einer an den Brenner (1) angeschlossenen Rauchgasleitung (5) angeordnet ist.
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