EP1701096A1 - Verfahren zur Anpassung der Geräteheizleistung eines gebläseunterstützten Heizgerätes an die individuellen Druckverluste eines Frischluft-Abgas-Leitungssystems - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Anpassung der Geräteheizleistung eines gebläseunterstützten Heizgerätes (1) an die Druckverluste eines Frischluft-Abgas-Leitungssytems (2), wobei das Heizgerät (1) eine Regelung (3), eine Vorrichtung zur Einstellung des Brennstoffvolumenstroms (4), ein regelbares Gebläse (5) sowie Mittel zur Erfassung der Gebläsedrehzahl und Gebläseleistung (6, 7) aufweist, bei dem die Geräteheizleistung in Abhängigkeit der Gebläsedrehzahl und elektrischen Gebläseleistung geregelt oder gesteuert wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anpassung der Geräteheizleistung eines gebläseunterstützten Heizgerätes an die individuellen Druckverluste eines Frischluft-Abgas-Leitungssystems sowie ein damit verbundenes Verfahren zur Vermeidung einer unvollständigen Verbrennung.
• Bei üblichen brennstoffbeheizten Heizgeräten werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft in einem bestimmten vorgegebenen Verhältnis miteinander vermischt. Hierzu wird zumeist ein pneumatischer oder elektronischer Brenngas-Luft-Verbund eingesetzt, bei dem die Brenngasmenge der Luftmenge angepasst wird.
• Gemäß Bernoulli-Gleichung $$p+\rho \ast g\ast h+\frac{\rho }{2}\ast c^2=\mathrm{const}.$$

  

  
  besteht der Druck aus einem statischen und einem dynamischen Teil. Dies bedeutet für Frischluft-Abgas-Leitungssysteme, dass je länger eine Abgasleitung ist, umso größer ist deren Druckverlust. Der statische Anteil ist demnach höher und es kann weniger Gas gefördert werden. Die Rohrreibung erhöht sich wesentlich. $$\mathrm{\Delta }\mathrm{p}=\mathrm{\lambda }\ast \mathrm{l}/\mathrm{d}\ast \mathrm{\rho }/2\ast {\mathrm{c}}^2\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{mit}\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{\lambda }=\mathrm{f}\left(\mathrm{Reynoldszahl}\right)$$

  
• Ein Heizgerät ist über eine Frischluft-Abgas-Leitung mit der Umwelt verbunden. Je nach Länge dieses Leitungssystems kann der Widerstand, welcher das Leitungssystem der Strömung entgegensetzt, wesentlich variieren. Dies hat zur Folge, dass bei einer vorgegebenen Drehzahl eines Gebläses zur Förderung des Brennluftvolumenstroms der Volumenstrom stark variieren kann. Da ein Heizgerät in der Regel eine bestimmte Nennleistung hat, ist zur Erreichung dieser Nennleistung auch ein gewisser Luftvolumenstrom notwendig. Daher muss die Gebläsedrehzahl an den Widerstand des Frischluft-Abgas-Leitungssystems angepasst werden. Gemäß dem Stand der Technik geschieht dies dadurch, dass der Verbrennungsluftvolumenstrom über eine Druckverlustmessung an einer Drossel gemessen wird. Dem entsprechend wird die Geräteleistung entsprechend einem Druckverlustsignal geregelt.
• Bei Heizgeräten mit Abgasgebläseunterstützung wird das Abgas hinter dem Wärmeaustauscher angesaugt und mit Überdruck in die Abgasleitung gedrückt. Durch das Ansaugen des Abgases hinter dem Wärmeaustauscher wird Frischluft in das Heizgerät gesaugt. Ein Teil der Luft wird in einem Brenner mit Brenngas vorgemischt und anschließend verbrannt. Die restliche Luft strömt am Brenner vorbei in die Brennkammer und verdünnt das Abgas.
• Würde ein Heizgerät nicht individuell an ein Frischluft-Abgas-Leitungssystem angepasst, so könnte der Modulationsbereich - also der Bereich von minimaler bis zur maximalen Heizleistung erheblich schwanken. Ermöglichte beispielsweise ein hoher Druckverlust nur geringe Fördermengen an Luft bei Standardansteuerung des Gebläses, so würde übermäßig viel Brenngas dem Prozess zugeführt, so dass die Verbrennung unvollständig wäre und unverhältnismäßig viel Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffemissionen das Gerät verließen. Würde zuviel Luft gefördert, so würde die Verbrennungszone zu kühl und ebenfalls hohe Schadstoffemissionen entstünden.
• Die EP 981 025 A1 befasst sich mit der Anpassung einer Heizeinrichtung an ein individuelles Luft-Abgas-System. Diese erfolgt manuell durch den Installateur, der die Länge der Abgasleitung misst und diese über eine manuell Eingabevorrichtung eingibt. Die Gebläseansteuerung erfolgt nun mithilfe in einem Speicher abgelegten Kennlinien. Eine automatische Anpassung erfolgt nicht, so dass es nicht ausgeschlossen werden kann, dass die Einstellung falsch oder überhaupt nicht vorgenommen wird, so dass der Betrieb beeinträchtigt ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung eines Frischluft-Abgas-Leitungssytems eines gebläseunterstützten Heizgerätes mit dem Gebläse in der Abgasleitung stromab des Wärmeaustauschers zu schaffen, welches eine unvollständige und unhygienische Verbrennung verhindert.
• Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Gebläseleistung bei vorgegebener Gebläsedrehzahl erfasst wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes der zu vermeidende Fall (Frischluft-Abgas-Leitungssystem auf der Frischluft- und / oder Abgasseite zu lang, ganz oder teilweise verstopft) erkannt wird.
• Gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 2 wird alternativ hierzu die Gebläsedrehzahl bei vorgegebener Gebläseleistung erfasst und beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes der zu vermeidende Fall erkannt.
• Gemäß den Merkmalen des abhängigen Anspruchs 3 wird die Gebläseleistung mittels eines Pulsweitenmodulationssignals erfasst.
• Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 werden die Referenzwerte in einem Speicher der Geräteregelung abgespeichert.
• Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
• Figur 1 ein Heizgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• Figur 2 charakteristische Kennlinien eines Gebläses bei unterschiedlichen Lastzuständen,
• Figur 3 eine charakteristische Kennlinie des Verhältnisses Drehzahl zu elektrischer Leistung bei konstantem Volumenstrom und steigendem Druckverlust,
• Figur 4 eine Kennlinie zur Ermittlung der korrigierten Drehzahl in Abhängigkeit der gemessenen elektrischen Leistung und
• Figur 5 ein Pulsweitenmodulationssignal.
• Figur 1 zeigt ein Heizgerät 1 mit einem Frischluft-Abgas-Leitungssystem 2. Die Komponenten des Heizgerätes 1 befinden sich innerhalb einer Unterdruckkammer 13, ein Brenner 9 befindet sich in einem Brennraum 11, welcher in einen Wärmeaustauscher 10 mündet. Der Wärmeaustauscher 10 ist über einen Abgassammler 12 mit dem Frischluft-Abgas-Leitungssystem 2 verbunden. In der Abgasleitung des Frischluft-Abgas-Leitungssystems 2 befindet sich ein Gebläse 5. Das Gebläse 5 verfügt über einen Motor 14, der wiederum mit der Regelung 3 verbunden ist und ferner eine Drehzahlerfassung 6 sowie eine Leistungserfassung 7 aufweist. Auf der Eingangsseite des Brenners 9 befindet sich die Brenngaszufuhr mit einem regelbaren Brenngasventil 4, das mit der Regelung 3 verbunden ist. Die Regelung 3 verfügt über einen Speicher 8.
• Beim Betrieb des Heizgerätes 1 steuert die Regelung 3 den Motor 14 des Gebläses 5 an, wonach das Gebläse 5 einen gewissen Volumenstrom liefert. Die Regelung 3 steuert entsprechend das regelbare Gasventil 4, so dass ein bestimmter Gasvolumenstrom den Injektoren des Brenners 9 zugeführt wird. In den Injektoren wird Frischluft (Primärluft) zugemischt. Das Brenngas-Luftgemisch strömt in den Brenner 9 ein und verbrennt in der Brennkammer 11 zusammen mit Sekundärluft, die an dem Brenner vorbeiströmt und der Flamme zugeführt wird. Das Abgas vermischt sich mit Tertiärluft, die ebenfalls dem Abgas zuströmt. Die verdünnten Abgase durchströmen den Wärmetauscher 10 und geben dabei ihre Wärme an ein nicht weiter dargestelltes Heiznetz ab. Die abgekühlten Abgase werden im Abgassammler 12 gesammelt und anschließend über das Gebläse 5 durch die innere Leistung des Frischluft-Abgas-Leitungssystems 2 in die Atmosphäre geblasen. Die Frischluft, die vom Gebläse 5 über die Unterdruckkammer 13 und die Brennkammer 11 angesaugt wird, wird durch die äußere koaxiale Leitung des Frischluft-Abgas-Leitungssystems 2 aus der Umgebung angesaugt. Figur 2 zeigt typische Leistungsdruckverluste und Drehzahlkennlinien eines Gebläses in Abhängigkeit des Volumenstromes. Auf der X-Achse ist der Volumenstrom aufgetragen, auf der Y-Achse die elektrische Leistung, der Druckverlust und die Drehzahl. Es ist bekannt, dass die elektrische Leistungsaufnahme eines Gebläses vom Druckverlust des Leitungssystems, dem Volumenstrom sowie der Drehzahl des Gebläses abhängig ist. Linie 22 zeigt eine Linie konstanter Drehzahl n₁ über variablem Volumenstrom, Linie 20 die dazu passende elektrische Aufnahmeleistung als Funktion des Volumenstromes sowie dieser konstanten ersten Drehzahl n₁. Die Linie 21 zeigt den Druckverlust als Funktion des variablen Volumenstroms und der konstanten Drehzahl n₁. Linie 25 zeigt eine Linie konstanter Drehzahl n₂, die höher als n₁ ist. Hierzu zeigt die Linie 23 die elektrische Leistungsaufnahme als Funktion des variablen Volumenstroms und der konstanten Drehzahl n₂. Die Linie 24 zeigt den Druckverlust als Funktion des variablen Volumenstroms und der konstanten Drehzahl n₂.
• Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei angenommen, dass das Heizgerät mit einem Referenz-Frischluft-Abgas-Leitungssystems verbunden ist, das zudem für den Beispielfall das kürzeste zulässige Frischluft-Abgas-Leitungssystem sei. Bei einer Drehzahl n₁ stellt sich eine elektrische Leistung P_el,1,I (Index arabische Ziffer: Drehzahl, Index römische Ziffer: Volumenstrom) ein. Dieser Punkt ist im Diagramm mit 26 bezeichnet. Wird nun im realen Zustand die Heizungsanlage mit einem unbekannten Frischluft-Abgas-Leitungssystem verbunden, das einen höheren Druckverlust aufweist als das Referenzsystem, so wird die Anlage bei gleicher Drehzahl n₁ betrieben. Es stellt sich ein geringerer Volumenstrom v̇ _II ein, wie auf der Linie 20 zu erkennen ist. Am Punkt 27 wird eine Leistung P_el,1,II gemessen. Hieraus wird deutlich, dass das System einen kleineren Volumenstrom fördert, als man ihn zur Gerätesollleistung benötigt. Benötigt wird wiederum ein Volumenstrom v̇ _I' der sich bei erhöhter Drehzahl n₂ ergäbe, wie im Diagramm in Punkt 28 auf der Linie 23 dargestellt. Die dazugehörige elektrische Leistung betrüge P_el,2,I. Ziel des Verfahrens ist, jenen Punkt 28 anzusteuern.
• Aus Figur 3 geht das Verhältnis zwischen der gemessenen elektrischen Leistung des Motors im Verhältnis zur Gebläsedrehzahl bei konstantem Volumenstrom v̇₁ , hervor. Die Linie 29 verdeutlicht, bei welcher Drehzahl sich welche elektrische Leistung einstellt. Der Punkt 26 verdeutlicht den Referenzpunkt mit dem vorgegebenen Frischluft-Abgas-Leitungssystem und der Punkt 28 den Sollpunkt bei dem anzupassenden Frischluft-Abgas-Leitungssystem. Mit dem anzupassenden Leitungssystem und der vorgegebenen Drehzahl n₁ stellt sich der Punkt 27 ein, wobei eine entsprechende elektrische Leistung P_el,11,II gemessen werden kann. Die Kennlinie 29 wird in Laborversuchen ermittelt.
• Figur 4 zeigt eine ebenfalls im Labor ermittelte Kennlinie 30, welche verdeutlicht, wie hoch die Solldrehzahl bei einer entsprechenden gemessenen elektrischen Leistung sein sollte. Der Punkt 26 stellt wiederum den Referenzpunkt dar. Wird - wie bei Figur 3 erläutert - eine elektrische Leistungsaufnahme P_el,1,II, gemessen, so ist aus Laborversuchen bekannt, dass diese elektrische Leistungsaufnahme für einen bestimmten Druckverlust signifikant ist. Um den gleichen Volumenstrom v̇₁ zu erzielen, wird eine erhöhte Drehzahl n₂ benötigt.
• Die Kennlinie 30 enthält für alle Druckverluste möglicher Frischluft-Abgas-Leitungssysteme die Zuordnung der notwendigen Drehzahl n des Gebläses zur Erzielung des Referenzvolumenstroms v̇_I in Abhängigkeit der gemessenen Gebläseleistung P_el,1 bei Referenzdrehzahl n₁.
• Im Beispielfall verdeutlicht der Punkt 31 die nun notwendige Drehzahl n₂ zur Erzielung des Volumenstroms v̇_I bei dem unbekannten Frischluft-Abgas-Leitungssystem. Aus dem nun bekannten Zusammenhang n₂ zu v̇_I lässt sich für alle Volumenströme die notwendige Drehzahl durch einen (nahezu) linearen Zusammenhang darstellen (v̇ = Konstante x n).
• Erfindungsgemäß wird somit über die Messung der Gebläsedrehzahl in Verbindung mit der elektrischen Gebläseleistung der geförderte Luftvolumenstrom bestimmt, dem dann die entsprechende Brenngasmenge zugeordnet und entsprechend zugeführt wird. Der Modulationsbereich des Heizgerätes, der Bereich von Minimallast zur Maximallast, wird durch die ermittelte Minimaldrehzahl und Maximaldrehzahl festgelegt.
• Die Drehzahl des Gebläses wird beispielsweise durch einen Hallsensor erfasst. Die Gebläseleistung ergibt sich aus dem Produkt von Strom und Spannung, welche das Gebläse beaufschlagen. Beim Pulsweitenmodulationsverfahren wird die Leistung bestimmt durch die Bestromungsdauer (vgl. Fig. 5). Bei einer Spannung U₀ und einem Strom I sowie einem Bestromungszeitraum t_on sowie einer Zykluszeit t_z ergibt sich die Leistung als $$\mathrm{P}={\mathrm{U}}_0\ast \mathrm{I}\ast \frac{{\mathrm{t}}_{\mathrm{on}}}{{\mathrm{t}}_{\mathrm{z}}}.$$

  
• Neben der Anwendung des Pulsweitenmodulationsverfahrens kann erfindungsgemäß auch jedes andere Messverfahren zur Bestimmung der Gebläse-(Geräte)leistung zum Einsatz kommen.
• Neben der individuellen Anpassung an das Frischluft―Abgas-Leitungssystem kann erfindungsgemäß überprüft werden, ob das Frischluft―Abgas-Leitungssystem ganz oder teilweise verstopft ist. Bei konstanter Gebläsedrehzahl sinkt die aufgenommene elektrische Gebläseleistung je weiter der geförderte Volumenstrom gedrosselt wird. Die minimale aufgenommene elektrische Gebläseleistung wird bei vollkommen geschlossenem Strömungsweg erreicht (vgl. Fig. 2, Linien P = f(Volumenstrom, Drehzahl)). Wenn diese minimale aufgenommene elektrische Gebläseleistung bekannt ist, kann erkannt werden, ob ein Gebläse einen Volumenstrom fördert oder nicht. Der Punkt 32 verdeutlicht für die Drehzahl n₁ die aufgenommene elektrische Leistung P_el1,0 ohne Volumenstromförderung.
• Bei einem Heizgerät wird hierzu - z.B. unter Referenzbedingungen beim Hersteller - eine definierte Gebläsedrehzahl angefahren, wobei das Frischluft-Abgas-Leitungssystem komplett verschlossen ist. Es wird die aufgenommene elektrische Leistungsaufnahme des Gebläsemotors gemessen. Der gemessene Wert wird abgespeichert und beispielsweise im Speicher der Regelung des Heizgerätes abgelegt.
• Wird nun ein Heizgerät individuell an eine Luft- und Abgasleitung angeschlossen, so kann überprüft werden, ob eine komplette Verstopfung der Luft- und Abgasleitung vorliegt. Zu diesem Zweck wird z.B. nach der Erstinbetriebnahme oder vor jedem Heizbetrieb die oben genannte definierte Gebläsedrehzahl angefahren und überprüft, ob die aufgenommene elektrische Leistungsaufnahme des Gebläsemotors oberhalb des ermittelten Referenzwertes liegt. Ist dies der Fall, so liegt keine vollständige Verstopfung des Luft-/Abgasweges vor. Wird nur die minimale aufgenommene elektrische Gebläseleistung gemessen, so liegt eine vollständige Verstopfung des Luft-/Abgasweges vor. In diesem Fall erzeugt die Gerätelektronik eine Fehlermeldung und verhindert, dass der Brenner des Heizgerätes in Betrieb geht. Um Serienstreuungen und auch eine fast vollständig verschlossene Leitung ebenfalls zu berücksichtigen, ist es sinnvoll, dass der Referenzwert etwas größer als der experimentell ermittelte Wert ist.
• Für eine vollständige und schadstoffarme ist ein überstöchiometrisches Brenngas-LuftVerhältnis notwendig. Dies bedingt einen gewissen Mindestvolumenstrom an Verbrennungsluft. Ist die Abgasleitung ganz oder teilweise verstopft oder zu lang, so strömt zwar nach wie vor der der Wärmebelastung entsprechende Brenngas-Volumenstrom, jedoch kein entsprechend notwendiger Verbrennungsluftstrom. Als Folge dessen ist die Verbrennung unvollständig; es entstehen Kohlenmonoxid- und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen. Da bei stöchiometrischer Verbrennung die Verbrennungsluftmenge etwa der zehnfachen Brenngasmenge entspricht, wird der Abgasvolumentrom vorwiegend durch den Brenngasvolumentrom bedingt.
• Zur Vermeidung einer unvollständigen Verbrennung ist es notwendig, dass bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Mindestabgasvolumenstroms das Heizgerät abschaltet.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass bei einer vorgegebenen Drehzahl des Gebläses die elektrische Leistung des Gebläsemotors gemessen wird. Ist die gemessene Leistung kleiner als eine vorgegebene Leistung, so wird das Gerät abgeschaltet. In Figur 2 ist dies durch Punkt 33 verdeutlicht. In Punkt 33 liegt bei vorgegebener Drehzahl n₁ der
• Mindestabgasvolumenstrom V̇_min bei der dazugehörigen elektrischen Leistung P_{el 1,min} vor. lst die gemessene elektrische Leistung geringer, so muss der Abgasvolumenstrom und somit der Verbrennungsluftvolumenstrom geringer sein. Eine Geräteabschaltung ist dann notwendig, um die unvollständige und schadstoffreiche Verbrennung zu stoppen.
• Alternativ kann erfindungsgemäß statt vorgegebener Drehzahl die Leistung zu messen bei vorgegebener elektrischer Leistung die Drehzahl gemessen werden. Die Leistung kann beispielsweise durch Veränderung der Spannung oder des Pulsweitenmodulationssignals variiert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Überprüfung eines Frischluft-Abgas-Leitungssytems (2) eines gebläseunterstützten Heizgerätes (1), wobei das Heizgerät (1) einen Wärmeaustauscher (10), eine Regelung (3), ein regelbares Gebläse (5) in der Abgasleitung stromab des Wärmeaustauschers (10) sowie Mittel zur Erfassung der Gebläsedrehzahl und Gebläseleistung (6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseleistung bei mindestens einer vorgegebenen Gebläsedrehzahl erfasst wird, die mindestens eine erfasste Gebläseleistung mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und bei Unterschreitung dieses Grenzwertes ein Warnhinweis ausgegeben und / oder das Heizgerät (1) abgeschaltet wird.
2. Verfahren zur Überprüfung eines Frischluft-Abgas-Leitungssytems (2) eines gebläseunterstützten Heizgerätes (1), wobei das Heizgerät (1) einen Wärmeaustauscher (10), eine Regelung (3), ein regelbares Gebläse (5) in der Abgasleitung stromab des Wärmeaustauschers (10) sowie Mittel zur Erfassung der Gebläsedrehzahl und Gebläseleistung (6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläsedrehzahl bei mindestens einer vorgegebenen Gebläseleistung erfasst wird, die mindestens eine erfasste Gebläsedrehzahl mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und bei Überschreitung dieses Grenzwertes ein Warnhinweis ausgegeben und / oder das Heizgerät (1) abgeschaltet wird.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Gebläseleistung ein Pulsweiten-Modulations-Signal verwendet wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte in einem Speicher (8) der Geräteregelung (3) abgespeichert sind.

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