EP0279771A1 - Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftdurchsatzes für eine brennstoffbeheizte Wärmequelle - Google Patents

Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftdurchsatzes für eine brennstoffbeheizte Wärmequelle Download PDF

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EP0279771A1 EP88730029A EP88730029A EP0279771A1 EP 0279771 A1 EP0279771 A1 EP 0279771A1 EP 88730029 A EP88730029 A EP 88730029A EP 88730029 A EP88730029 A EP 88730029A EP 0279771 A1 EP0279771 A1 EP 0279771A1
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Vaillant GmbH
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Vaillant Austria GmbH
Nv Vaillant Sa
Joh Vaillant GmbH and Co
Vaillant GmbH
Vaillant SARL
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/18—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the combustion air flow rate of a fuel-heated heat source.
  • a fuel-heated heat source is understood to mean any gas or oil-heated device, be it an oven, water heater or circulating water heater for heating and process water preparation.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for regulating the combustion air throughput, in which it is no longer necessary to separately adapt the pipes and tube guides for the fresh air supply / exhaust gas discharge and in which a stable behavior of the combustion air throughput is established, regardless of this whether it is a device with air-side and gas-side modulation or only air-side modulation.
  • the advantage of this solution lies in the independent adaptation of the combustion air throughput to the device-typical resistances in the air and exhaust gas path due to the installation location. There is always an optimal size of the air throughput with regard to the efficiency, since the air throughput is always a certain, but definable threshold above the switch-off criterion, that is, the unsanitary combustion.
  • a circulating water heater 1 has a housing 2, which in its interior 3 forms a combustion chamber which is shielded from the top by a further inner housing 4.
  • the interior 3 is penetrated by a heat exchanger 5, which is connected to a return line 6 and to a flow line 7, in which a flow temperature sensor 8 is arranged, which is connected via a line 9 to a controller 10.
  • the flow line 7 is provided with a circulation pump 11, the drive motor 12 of which is supplied with operating voltage from the controller 10 via a line 13.
  • the flow line 7 leads downstream of the pump 11 to a heating system 14, which consists of a plurality of radiators, underfloor heating sections or a domestic hot water tank connected in series and / or in parallel, to which the return line 6 is connected on the return side.
  • the heat exchanger 5 is heated by a gas burner 15, which is fed from a gas line 16, in which a shut-off valve 17 is arranged, the electromagnet 18 of which is fed by a control line 19 which originates from the controller 10.
  • a proportional control valve 20 the electromagnet 21 of which is equally connected to the controller 10 via a control line 22.
  • the inner housing 4 merges into an exhaust gas line 23, in which a fan 24 is arranged, the associated motor of which is supplied from an actuating line 25 with operating voltage is opened, which comes from a speed controller 26.
  • a speed actual value transmitter 27 is assigned to the fan and is connected to the speed controller 26 via a measuring line 28.
  • a speed setpoint value is fed to the speed controller via a line 29 which starts from the controller 10.
  • a target value transmitter 30 is connected to the controller 10, with which a target value for the flow temperature of the heating system can be specified.
  • the outer housing 2 is connected to an outer tube 31, which extends concentrically and at a distance 32 from the exhaust pipe 23, which forms the inner tube.
  • the length of the concentric double pipe 31/23 from the installation location of the fan directly in the device to a breakthrough through a boundary wall 33 of the installation space is almost as long as possible, but in practice is limited to a range of three to five meters.
  • the double tube passes through the wall and ends in a head 34 in the outside atmosphere.
  • An anemometer sensor 35 is assigned to the supply air path and reports a continuous signal for the air throughput to an anemometer 37 via a line 36.
  • a further input of the anemometer is formed by line 22, and output signals of the anemometer are sent to controller 10 via line 38, here an enable signal, and via line 39, here a correction signal.
  • the device in the controller 10 has a temperature controller.
  • the actual value of the flow temperature is detected by sensor 8 and reported to controller 10 via line 9.
  • a comparison is made with the temperature target value specified on the target value transmitter 30, and the device is put into operation in the event of a control deviation.
  • the magnet 18 is first excited so that the gas valve 17 opens fully.
  • a more or less large control signal results on line 22, so that the magnet 21 is subjected to partial load or full load values, so that the valve 20 opens more or less.
  • a setpoint value for a suitable air throughput is given to the anemometer 37 via line 22.
  • the speed controller 26 is first activated via the line 29, so that the fan 24 first starts at the maximum speed and is then reduced to a value which is suitable for the expected gas throughput.
  • the speed of the fan is then regulated in control loop 27, 28, 26, 25 at this speed.
  • the combustion air flow rate which arises due to the fan working is generated from the atmosphere via the head 34 promotes and penetrates the supply air path, which corresponds to the distance 32 outside the device.
  • the supply air path is the distance between the two housings 2 and 4 in which the anemometer sensor 35 is arranged.
  • the air flow rate which arises is measured as an actual value by the latter and is fed via line 36 to the anemometer.
  • a target-actual comparison takes place here, and if a minimum throughput matching the expected gas throughput is exceeded, the controller 10 is released via the line 38, so that the two gas valves 17 and 20 can now open accordingly.
  • the gas emerging from the burner 15 is ignited, the burner burns and heats the heat exchanger 5, and the flow temperature rises. If the actual air throughput falls below the minimum threshold which is variable depending on the gas throughput, the controller is blocked via line 38, so that both gas valves close.
  • the relationship between the target value for the speed controller on line 29 and the actual value of the gas throughput, corresponding to a certain voltage on line 22, is fixed. However, the relationship between the air flow rate and the actual value of the fan speed is by no means fixed. The relationship between the actual value of the gas throughput and the switch-off threshold for the anemometer is also fixed.
  • the voltage USMV for the degree of opening of the gas solenoid valve is plotted in the abscissa, the values for the gas throughput Q and for the desired or actual value of the speed of the fan are plotted in the ordinate.
  • the sloping part of the curves means the modulation range, the horizontal part the full load state. The zero point shift comes about because one wants to suppress working of the device below a certain partial load range.
  • FIG. Three additionally shows the curves for the voltage of the anemometer (UA) and the voltage of the switch-off threshold (US).
  • the curve US defines the switch-off threshold.
  • the curve US is laid out in such a way that, taking into account the properties typical of the device, it is still hygienically perfect Allows combustion. Falling below this threshold therefore results in unsanitary combustion and must therefore be avoided in any case.
  • the voltage UA is an internal voltage in the anemometer 37, it is variable with the signal from the anemometer sensor 35. If the curves US and UA coincide, this means that the combustion is just hygienic.
  • a widening of the curves of the US and UA means an operation with an efficiency that gets worse the further the curves are apart.
  • curve UA depends on the actual air flow. This is influenced by the fan speed and by changes in the entire air exhaust system of the heat source, for example also by pollution.
  • the aim now is to set the value of UA as close as possible to the value of US, but without reaching or falling below the value for US.
  • the anemometer 37 has a difference generator and forms the difference between the actual value of the air throughput, given by the sensor 35, expressed by UA and the value of the switch-off threshold US.
  • This difference is dependent on the load on the device, that is to say on the open state of the solenoid valve 20/21, that is to say on the signals prevailing on the line 22.
  • the difference is compared with a target value, which in the Anemometer 37 can be predetermined.
  • the target value can be constant, but can also be variable via the load on the device. If the value of this difference falls below a predeterminable size, the speed of the fan motor is increased and if it falls below this, the target value for the speed controller 26 is tracked via the line 39 and the controller 10. This variation of the speed then leads to a shift of the curve UA in the direction of correction.
  • the difference is defined by the distance 50.

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Abstract

Verfahren zum Regeln des Brennstoffluftdurchsatzes für einen Gas-Wasserheizer mit einem Ventilator, dessen Antriebsmotor drehzahlvariabel ist, einem stetigen Ist-Wert-Geber für den Luftdurchsatz und mit einer Einrichtung zum Abschalten der Gaszufuhr beim Unterschreiten eines Mindesluftdurchsatzes, wobei erfindungsgemäß die Differenz (50) zwischen dem Ist-Wert (35) des Luftdruchsatzes und einer Abschaltschwelle (US) gebildet wird und daß bei Unterschreiten einer vorgebbaren Größe der Differenz die Drehzahl des Ventilatormotors (24) erhöht und beim Überschreiten verringert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftdurchsatzes einer brenn­stoffbeheizten Wärmequelle.
  • Unter brennstoffbeheizter Wärmequelle ist hier jedwedes gas- oder mit Öl beheizte Gerät zu verstehen, sei es Ofen, Wassererhitzer oder Umlaufwasserheizer für Heizung und Gebrauchswasserbereitung.
  • Es sind sogenannte kaminlose Umlaufwasserheizer auf dem Markt, die zur Unterstützung der Verbrennung mit einem Abgasventilator arbeiten, dessen Antriebsmotor drehzahl­variabel ausgeführt ist. Da der Einbauort der Umlaufwas­serheizer häufig nicht bekannt ist, wird der maximale Brennstoffdurchsatz und der maximale Luftdurchsatz nach der größtmöglichen Länge der Zuluft-/Abgasabführung be­messen. In der Praxis werden solche Rohrlängen als kon­ zentrische Rohre mit Längen von maximal fünf Meter gefertigt. Es tritt aber nun häufig der Fall auf, daß der Mauerdurchbruch zum Anschluß des Gerätes weit näher als in dieser Entfernung zu liegen kommt. Um für diesen Fall günstige Verbrennungsverhältnisse zu schaffen, werden Blenden in die Rohre eingeführt, um künstliche Luftwider­stände zu bilden. Es liegt auf der Hand, daß das Anpassen dieser Blenden viel Fingerspitzengefühl vom Fachmann be­nötigt und daß in der Praxis mit Fehlanpassungen zu rech­nen ist. Hierbei sind Fehlanpassungen in Richtung auf unhygienische Verbrennung und schlechten Wirkungsgrad möglich. Eine geräteinterne Sicherung verhindert aller­dings die unhygienische Verbrennung. In der Praxis laufen solche Geräte aber häufig mit einem zu geringen Wirkungs­grad, weil zuviel Luft dem Gerät zugeführt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftdurchsatzes anzugeben, bei dem es nicht mehr notwendig ist, die Rohre und Rohrführungen für die Frischluftzufuhr/Abgasabfuhr gesondert anzupassen und bei dem sich ein stabiles Ver­halten des Verbrennungsluftdurchsatzes einstellt, und zwar unabhängig davon, ob es sich um ein Gerät mit luft- ­und gasseitiger Modulation oder nur luftseitiger Modula­tion handelt.
  • Die Lösung der Aufgabe liegt erfindungsgemäß in den kenn­zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs.
  • Der Vorteil dieser Lösung liegt in der selbständigen An­passung des Verbrennungsluftdurchsatzes an die geräte­typischen und durch den Einbauort herrschenden Widerstän­de im Luft- und Abgasweg. Es stellt sich immer eine optimale Größe des Luftdurchsatzes hinsichtlich des Wirkungsgrades ein, da der Luftdurchsatz immer um eine bestimmte, aber vorgebbare Schwelle über dem Abschalt­kriterium, das heißt der unhygienischen Verbrennung, liegt.
  • Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Wei­terbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Er­findung zum Inhalt hat.
  • Es zeigen:
    • Figur eins ein Prinzipaufbaubild eines Umlaufwasserhei­zers und
    • die Figuren zwei und drei Diagramme.
  • In den drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
  • Ein Umlaufwasserheizer 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das in seinem Innenraum 3 eine Brennkammer bildet, die von einem weiteren Innengehäuse 4 nach oben abgeschirmt ist. Der Innenraum 3 wird durch einen Wärmetauscher 5 durchsetzt, der an eine Rücklaufleitung 6 und an eine Vorlaufleitung 7 angeschlossen ist, in der ein Vorlauftemperaturfühler 8 angeordnet ist, der über eine Leitung 9 mit einem Regler 10 verbunden ist.
  • Die Vorlaufleitung 7 ist mit einer Umwälzpumpe 11 ver­sehen, deren Antriebsmotor 12 über eine Stelleitung 13 vom Regler 10 mit Betriebsspannung versorgt wird. Die Vorlaufleitung 7 führt stromab der Pumpe 11 zu einer Hei­zungsanlage 14, die aus einer Vielzahl in Serie und/oder parallel geschalteten Radiatoren, Fußbodenheizungsab­schnitten oder einem Brauchwasserspeicher besteht, an den rücklaufseitig die Rücklaufleitung 6 angeschlossen ist. Der Wärmetauscher 5 ist von einem Gasbrenner 15 beheizt, der aus einer Gasleitung 16 gespeist ist, in der ein Schließventil 17 angeordnet ist, dessen Elektromagnet 18 von einer Stelleitung 19 gespeist ist, die vom Regler 10 ausgeht. In der Gasleitung 16 liegt ein Proportionalre­gelventil 20, dessen Elektromagnet 21 über eine Stellei­tung 22 gleichermaßen an den Regler 10 angeschlossen ist. Das Innengehäuse 4 geht in eine Abgasleitung 23 über, in der ein Ventilator 24 angeordnet ist, dessen zugehöriger Motor von einer Stelleitung 25 mit Betriebsspannung be­ aufschlagt ist, die von einem Drehzahlregler 26 stammt. Dem Ventilator ist ein Drehzahl-Ist-Wertgeber 27 zuge­ordnet, der über eine Meßleitung 28 mit dem Drehzahlreg­ler 26 verbunden ist. Ein Drehzahl-Soll-Wert wird dem Drehzahlregler über eine Leitung 29 zugeführt, die vom Regler 10 ausgeht. An den Regler 10 ist ein Soll-Wertge­ber 30 angeschlossen, mit dem ein Soll-Wert für die Vor­lauftemperatur der Heizungsanlage vorgebbar ist. Das Außengehäuse 2 ist mit einem Außenrohr 31 verbunden, das sich konzentrisch und im Abstand 32 zum Abgasrohr 23 er­streckt, das das Innenrohr bildet. Die Länge des konzen­trischen Doppelrohrs 31/23 vom Einbauort des Ventilators unmittelbar noch im Gerät bis zu einem Durchbruch durch eine Begrenzungsmauer 33 des Aufstellungsraums ist nahezu beliebig lang, in der Praxis auf einen Bereich von drei bis fünf Meter allerdings längstens begrenzt. Das Doppel­rohr geht durch die Wand hindurch und endet in einem Kopf 34 in der Außenatmosphäre. Dem Zuluftweg ist ein Anemome­terfühler 35 zugeordnet, der ein stetiges Signal für den Luftdurchsatz über eine Leitung 36 an ein Anemometer 37 meldet. Ein weiterer Eingang des Anemometers wird von der Leitung 22 gebildet, und Ausgangssignale des Anemometers werden einmal über eine Leitung 38, hier ein Freigabesig­nal, und über eine Leitung 39, hier ein Korrektursignal, an den Regler 10 gegeben.
  • Die Funktion der Erfindung wird nunmehr anhand der Dia­gramme der Figuren zwei und drei näher erläutert.
  • Es muß zunächst vorausgeschickt werden, daß das Gerät im Regler 10 einen Temperaturregler aufweist. Der Ist-Wert der Vorlauftemperatur wird vom Fühler 8 erfaßt und über die Leitung 9 dem Regler 10 gemeldet. Es findet ein Ver­gleich zum am Soll-Wertgeber 30 vorgegebenen Temperatur-­Soll-Wert statt, und bei einer Regelabweichung wird das Gerät in Betrieb gesetzt. Hierzu wird zunächst der Magnet 18 erregt, so daß das Gasventil 17 voll öffnet. Ent­sprechend der Größe der Regelabweichung resultiert auf der Leitung 22 ein mehr oder weniger großes Stellsignal, so daß der Magnet 21 mit Teillast- oder Vollastwerten beaufschlagt wird, so daß das Ventil 20 mehr oder weniger stark öffnet. Gleichzeitig wird über die Leitung 22 dem Anemometer 37 ein Soll-Wert für einen hierzu passenden Luftdurchsatz vorgegeben. Bevor aber das Gas freigegeben wird, wird zunächst über die Leitung 29 der Drehzahlreg­ler 26 aktiviert, so daß der Ventilator 24 zunächst mit Maximaldrehzahl anläuft und dann auf einen dem zu erwar­tenden Gasdurchsatz passenden Wert reduziert wird. Mit dieser Drehzahl wird dann im Regelkreis 27, 28, 26, 25 die Drehzahl des Ventilators geregelt. Der sich aufgrund des Arbeitens des Ventilators einstellende Verbrennungs­luftdurchsatz wird aus der Atmosphäre über den Kopf 34 gefördert und durchsetzt den Zuluftpfad, der dem Abstand 32 außerhalb des Gerätes entspricht. Innerhalb des Ge­rätes ist der Zuluftpfad der Abstand der beiden Gehäuse 2 und 4, in dem der Anemometerfühler 35 angeordnet ist. Der sich einstellende Luftdurchsatz wird als Ist-Wert von ihm gemessen und über die Leitung 36 auf das Anemometer ge­geben. Es findet hier ein Soll-Ist-Vergleich statt, und bei Überschreiten eines zu dem zu erwartenden Gasdurch­satz passenden Mindestdurchsatzes wird über die Leitung 38 der Regler 10 freigegeben, so daß nunmehr die beiden Gasventile 17 und 20 entsprechend öffnen können. Das am Brenner 15 austretende Gas wird gezündet, der Brenner brennt und beheizt den Wärmetauscher 5, die Vorlauftempe­ratur steigt. Unterschreitet der Ist-Luftdurchsatz die je nach Gasdurchsatz variable Mindestschwelle, so wird über die Leitung 38 der Regler gesperrt, so daß beide Gasven­tile schließen.
  • Der Zusammenhang zwischen dem Soll-Wert für den Drehzahl­regler auf der Leitung 29 und dem Ist-Wert des Gasdurch­satzes, entsprechend einer bestimmten Spannung auf der Leitung 22, ist fest. Keineswegs fest ist aber der Zu­sammenhang zwischen dem sich einstellenden Luftdurchsatz und dem Ist-Wert der Ventilatordrehzahl. Weiterhin fest ist der Zusammenhang zwischen dem Ist-wert des Gasdurch­satzes und der Abschaltschwelle für das Anemometer.
  • Um nun unabhängig von der Länge und den Widerständen im Wärmetauscher (aufgrund von einsetzender Verschmutzung) und der Länge und dem Zustand der Rohre einen Luftdurch­satz aufrechtzuerhalten, der mit Sicherheit die jeweilige Abschaltschwelle überschreitet, aber nicht so groß wird, daß ein Betrieb mit minderem Wirkungsgrad der Wärmequelle erfolgt, wird nunmehr erfindungsgemäß wie folgt verfahren:
  • In der Figur zwei ist in der Abszisse die Spannung USMV für den Öffnungsgrad des Gasmagnetventils aufgetragen, in der Ordinate die Werte für den Gasdurchsatz Q und für den Soll- beziehungsweise Ist-Wert der Drehzahl des Venti­lators. Der schräge Teil der Kurven bedeutet den Modu­lationsbereich, der waagerechte Teil den Vollastzustand. Die Nullpunktverschiebung kommt dadurch zustande, daß man unterhalb eines bestimmten Teillastbereiches ein Arbeiten des Gerätes unterdrücken will.
  • Die Figur drei zeigt neben der Kurve Q für den Gasdurch­satz zusätzlich die Kurven für die Spannung des Anemo­meters (UA) und die Spannung der Abschaltschwelle (US). Zwischen den Kurven US und Q liegt ein Abstand 50. Die Kurve US definiert die Abschaltschwelle. Die Kurve US ist so gelegt, daß sie unter Berücksichtigung der gerätetypi­schen Eigenschaften noch eine hygienisch einwandfreie Verbrennung zuläßt. Unterschreiten dieser Schwelle be­dingt also eine unhygienische Verbrennung und muß daher auf jeden Fall vermieden werden. Die Spannung UA ist eine interne Spannung im Anemometer 37, sie ist mit dem Signal des Anemometerfühlers 35 variabel. Decken sich die Kurven US und UA, so bedeutet das, daß die Verbrennung gerade noch hygienisch ist. Andererseits bedeutet ein Ausein­anderklaffen der Kurven von US und UA einen Betrieb mit einem Wirkungsgrad, der um so schlechter wird, je weiter die Kurven auseinanderliegen. Während die Kurve US in ihrer Lage nicht beeinflußbar ist, hängt die Kurve UA vom Ist-Luftdurchsatz ab. Dieser wird beeinflußt durch die Ventilatordrehzahl und durch Änderungen im gesamten Luft­abgassystem der Wärmequelle, beispielsweise auch durch Verschmutzung. Es wird nun angestrebt, den Wert von UA möglichst dicht an den Wert von US zu legen, ohne daß der Wert für US aber erreicht oder unterschritten wird. Hierzu besitzt das Anemometer 37 einen Differenzbildner und bildet die Differenz zwischen dem Ist-Wert des Luft­durchsatzes, gegeben vom Fühler 35, ausgedrückt durch UA und dem Wert der Abschaltschwelle US. Diese Differenz ist abhängig von der Gerätebelastung, das heißt, von dem Öffnungszustand des Magnetventils 20/21, das heißt ab­hängig von den auf der Leitung 22 herrschenden Signalen. Die Differenz wird mit einem Soll-Wert verglichen, der im Anemometer 37 vorgebbar ist. Eer Soll-Wert kann konstant sein, kann auch über die Gerätebelastung variabel sein. Bei Unterschreiten einer vorgebbaren Größe dieser Diffe­renz wird die Drehzahl des Ventilatormotors erhöht und bei Unterschreiten erniedrigt, indem der Soll-Wert für den Drehzahlregler 26 über die Leitung 39 und den Regler 10 nachgeführt wird. Dieses Variieren der Drehzahl führt dann zu einer Verschiebung der Kurve UA in Richtung Korrektur. Die Differenz ist durch den Abstand 50 definiert.

Claims (1)

1. Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftdurch­satzes für eine brennstoffbetriebene Wärmequelle mit einem Ventilator, dessen Antriebsmotor dreh­zahlvariabel ist, einem stetigen Ist-Wertgeber für den Luftdurchsatz und mit einer Einrichtung zum Abschalten der Brennstoffzufuhr beim Unter­schreiten eines Mindestluftdurchsatzes, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (50) zwischen dem Ist-Wert (35) des Luftdurchsatzes und einer Abschaltschwelle (US) gebildet wird und daß bei Unterschreiten einer vorgebbaren Größe der Differenz die Drehzahl des Ventilatormotors (24) erhöht und bei Überschreiten erniedrigt wird.
EP88730029A 1987-02-07 1988-02-06 Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftdurchsatzes für eine brennstoffbeheizte Wärmequelle Expired - Lifetime EP0279771B1 (de)

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