EP3746706B1 - Verfahren zur regelung eines mischungsverhältnisses von brenngas und luft für ein heizgerät - Google Patents

Verfahren zur regelung eines mischungsverhältnisses von brenngas und luft für ein heizgerät Download PDF

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EP3746706B1
EP3746706B1 EP19729482.0A EP19729482A EP3746706B1 EP 3746706 B1 EP3746706 B1 EP 3746706B1 EP 19729482 A EP19729482 A EP 19729482A EP 3746706 B1 EP3746706 B1 EP 3746706B1
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EP
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mass flow
air mass
flow
gas
air
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Hartmut Henrich
Stephan Wald
Jens Hermann
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Ebm Papst Landshut GmbH
Original Assignee
Ebm Papst Landshut GmbH
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/022—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2221/00—Pretreatment or prehandling
    • F23N2221/10—Analysing fuel properties, e.g. density, calorific
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/06—Space-heating and heating water

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a mixing ratio of fuel gas and air for a heating device, a fuel gas mass flow and an air mass flow initially being provided separately and later combined into a total mass flow with a fixed mixing ratio.
  • the type of fuel gas is determined, for example, via a sensor arranged in the fuel gas flow, and the air requirement is determined from this. The air volume is then adjusted based on this.
  • the disadvantage here is that all input variables for regulation, i.e. air volume flow, gas volume flow and fuel gas properties must be measured and monitored
  • a method according to the preamble of claim 1 is from EP0275439 A1 famous.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for regulating a mixing ratio of fuel gas and air for a heater that is independent of the type of fuel gas and varying ambient conditions or installation conditions in the heater. Furthermore, it should be possible to achieve a high modulation range from the lowest possible to the highest possible burner output, adapted to the heat demand.
  • a method for regulating a mixing ratio of fuel gas and air for a heating device is proposed, the fuel gas and the air each having different thermal conductivities.
  • a fuel gas mass flow and an air mass flow are each provided separately and in a total mass flow merged.
  • the air mass flow is at least divided into a first and a second air mass partial flow, the second air mass partial flow being smaller than the first air mass partial flow with respect to its air mass.
  • the air mass partial flows only the smaller, second air mass partial flow is initially combined with the gas mass flow and mixed to form a premix.
  • the material properties of the premix formed from the second air mass partial flow and gas mass flow are recorded via a sensor and a premix ratio of the premix is determined from this. From the premix ratio, the mixing ratio of fuel gas and air in the total mass flow is then calculated and regulated using the specified value of the size difference between the first and second air mass partial flows.
  • the method makes it possible to apply the fuel-air mixture directly to the sensor and to record the material properties of the mixture.
  • a change in one of the two parameters fuel gas quantity or air quantity is immediately recognized by a change in the material properties and compensated for by the control.
  • the sensor can measure a premix of the second, lower air mass partial flow and the gas mass flow. Since the amount of fuel required for clean combustion is usually well below the amount of air required (e.g. natural gas / air mixture ratio 1:13, liquefied gas / air mixture ratio 1:40), a change in the gas amount would only be correspondingly without dividing the air mass flow in the total mass flow of the mixing ratio affect the sensor signal.
  • the material properties of the premix of the second air mass partial flow and gas mass flow are preferably thermal material properties relating to the conductivity, preferably the thermal conductivity and / or heat capacity.
  • Corresponding sensor hardware is known in the art. For example, calorimetric microsensors are used, which can detect the thermal conductivity of the fuel gas in addition to the fuel gas mass.
  • the mass of the second air mass partial flow is determined in such a way that it corresponds to the gas mass flow. In the case of natural gas as the fuel gas, this would be 1/13 of the total air mass, and in the case of liquefied gas as the fuel gas, 1/40 of the total air mass. Half of the premix is then made up of fuel gas and air.
  • the method is characterized in that the premix ratio is determined by comparing the material properties of the premix, in particular the thermal conductivity, with laboratory-determined characteristics of the corresponding material properties of the fuel gas and the air at different mixing ratios. Corresponding characteristics can be stored in the heater, in particular in a memory, for comparison or the determination of the material properties by the control device.
  • the regulation of the mixing ratio of fuel gas and air also takes place via the control unit, which regulates the air mass flow on the heater via an air actuator and the gas mass flow via a gas actuator.
  • An electronically controllable gas control valve is preferably used as the gas actuator, and an electronically controllable fan is used as the air actuator.
  • the method also includes a component to improve the start of the heater, i.e. the ignition of the burner.
  • the air control element is controlled via the control device to a starting air mass flow, with the fuel gas mass flow then being increased via the gas control element during ongoing ignition attempts by the burner until the desired mixing ratio of fuel gas and air is reached and the burner at the desired mixing ratio burns.
  • the achievement of the desired mixing ratio of fuel gas and air is determined by checking via the sensor whether the premix achieves the specified material properties.
  • the premix is representative of the total mass flow.
  • the method also includes that if the specified material properties of the premix are not achieved, the gas actuator is activated via the control device and the fuel gas mass flow is thereby changed until the premix has the specified material properties relating to conductivity and therefore the desired mixing ratio of fuel gas and air in the total mass flow is reached.
  • the control unit adjusts the fuel gas mass flow accordingly by activating the gas actuator until the original conductivity of the premix and thus the original mixing ratio of fuel gas and air of the total mass flow is reached.
  • the method provides in a first variant that the air mass flow is divided into a first and a second air mass partial flow via a nozzle with a main channel and a bypass channel, the first air mass partial flow through the main channel and the second air mass partial flow through the Bypass channel is performed.
  • the fuel gas mass flow is also introduced into the bypass duct, so that the resulting premix is guided back through the bypass duct into the first partial air mass flow and forms the total mass flow.
  • the sensor is arranged in the bypass channel and the premix flows around it.
  • the air mass flow is divided into the first and second air mass partial flow via a Venturi nozzle with separate flow segments distributed in the circumferential direction, the first air mass partial flow being passed through a single one of the flow segments and the second air mass partial flow being passed through the remaining flow segments.
  • the flow segments preferably each have an equally large flow cross section.
  • the Venturi nozzle comprises a gas connection for supplying the fuel gas mass flow, which leads into the flow segment of the second, smaller air mass partial flow, so that the resulting premix is guided within the one flow segment.
  • the sensor is preferably arranged within this flow segment, through which the premix of the second air mass partial flow and the gas mass flow flows.
  • Figure 1 shows schematically the method for regulating a mixing ratio of fuel gas and air, wherein the fuel gas mass flow 1 can be regulated via an actuator 3 and the air mass flow 2 can be regulated by the control device 11 via an actuator 4.
  • the fuel gas mass flow 1 and the air mass flow 2 are initially supplied separately from one another.
  • the air mass flow 2 is then divided into the first air mass partial flow 7 and the second air mass partial flow 6 in a specified size ratio before it is merged with the gas mass flow 1, the second air mass partial flow 6 being smaller in terms of its air mass by a specified value than the first air mass partial flow 7 and preferably the Size of the gas mass flow 1 corresponds.
  • the air mass flow 2 is divided into a main channel 25 and a bypass channel 26 via a nozzle 28, the first air mass partial flow 7 flowing through the main channel 25 and the second air mass partial flow 6 flowing through the bypass channel 26.
  • the gas mass flow 1 opens into the bypass channel 26 and is mixed with the second air mass partial flow 6 to form premix 8.
  • the sensor S for detecting the thermal conductivity and / or heat capacity of the premix 8 is arranged, which is connected to the control unit 11 for signaling purposes.
  • the premix ratio of the premix 8 of gas mass flow 1 and second air mass partial flow 6 is determined from the thermal conductivity and / or heat capacity of premix 8 determined via sensor S. From the premix ratio of the premix 8, the mixing ratio of fuel gas and air in the total mass flow 10 is calculated and regulated via the control unit 11 via the specified value of the size difference between the first and second air mass partial flows 7, 6.
  • the regulation takes place by adapting the actuator 3 of the gas mass flow 1 and the actuator 4 of the air mass flow 2.
  • FIG. 2 will that be in Figure 1
  • the method shown in principle is applied to a heating device 100, the same reference symbols denoting the same parts or features.
  • the fuel gas is supplied via the gas line 20, the fuel gas mass control via the actuator 3, which is designed in the form of a stepper motor that can be controlled via the control unit 11.
  • the air mass flow is supplied by the fan 22.
  • an optional non-return flap 27 with an also optionally connected elbow 29 is provided at the blower outlet. This is followed by the burner 31 and a siphon connected to the burner housing.
  • the heat exchanger 18 is arranged around the burner 28. Continued in the direction of flow, the exhaust system with the exhaust flap 19 follows.
  • the air mass flow generated by the fan 22 is divided into the first air mass partial flow 7 and the smaller, second air mass partial flow 6 in the specified size ratio before it is merged with the gas mass flow 1.
  • the air mass flow 2 is divided into the main channel 25 and the bypass channel 26 via the nozzle 28, the first air mass partial flow 7 flowing through the main channel 25 and the second air mass partial flow 6 flowing through the bypass channel 26.
  • the gas mass flow 1 opens into the bypass channel 26 and is mixed with the second air mass partial flow 6 to form premix 8.
  • the sensor S for detecting the thermal conductivity and / or thermal capacity of the premix 8 is arranged in the bypass channel 26 and is connected to the control device 11 for signaling purposes.
  • the premix ratio of the premix 8 of gas mass flow 1 and second air mass partial flow 6 is determined from the thermal conductivity and / or heat capacity of premix 8 determined via sensor S. From the premix ratio of the premix 8, the mixing ratio of fuel gas and air in the total mass flow 10 is calculated and regulated via the control unit 11 via the specified value of the size difference between the first and second air mass partial flows 7, 6. The regulation takes place via the adjustment of the actuator 3 of the gas mass flow 1 and the speed of the fan 22 to increase or decrease the air mass flow.
  • FIG Figure 3 shows a Venturi nozzle 5 ′ for dividing the air mass flow into the first air mass partial flow 7 and the second air mass partial flow 6 as an alternative to the nozzle 5 from Figure 1 and 2 . All too Figure 1 and 2 The features disclosed therefore also apply to the design of the nozzle 5 as a Venturi nozzle 5 ′ according to FIG Figure 3 .
  • the Venturi nozzle 5 ' comprises a multiplicity of separate flow segments 36, 37 which are arranged distributed in the circumferential direction and each form a flow channel through the Venturi nozzle 5'.
  • the Venturi nozzle comprises eight equally dimensioned flow segments 36, 37, the fuel gas flow 1 being fed into one flow segment 36 and the second air mass partial flow 6 being mixed with the fuel gas flow 1 to form premix 8 within the flow channel of the flow segment 36.
  • the sensor S also has its measuring sensors within the flow segment 36 and detects the thermal conductivity and / or heat capacity of the premix 8. The processing of the measurement result of the sensor S takes place in the above Figure 1 and 2 described manner by the control unit 11. By the rest The first air mass partial flow 7 flows through seven flow segments 37 and is mixed with the premix 8 at the Venturi outlet and sent to the burner (see FIG Figure 2 ) forwarded.
  • the shown embodiment of the Venturi nozzle 5 'reduces the air mass fraction in the premixing to 1/8 of the total air mass flow 2 and thus enables a more precise measurement and regulation over a higher modulation range.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft für ein Heizgerät, wobei ein Brenngasmassenstrom und ein Luftmassenstrom zunächst jeweils getrennt bereitgestellt und später in einen Gesamtmassenstrom mit festgelegtem Mischungsverhältnis zusammengeführt werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Regelung des Brenngas-Luft-Verhältnisses bei Heizgeräten bekannt. Neben rein pneumatischen Systemen zur Mischung von Brenngas und Luft werden heute häufig auch elektronische Regelungen unter Nutzung von Steuergeräten eingesetzt. Die Regelung der Mengen an Brenngas und Luft erfolgt beispielsweise über das in der Technik bekannte SCOT-Verfahren, bei dem die Verbrennungsregelung auf Ionisationsbasis unter Berücksichtigung einer Flammensignalmessung durchgeführt wird. Dabei ist unter anderem problematisch, dass bei kleinen Leistungen das Flammensignal stark absinkt und keine zuverlässige Regelung mehr möglich ist. Zudem sind eine Kalibrierung der Ionisationskennlinie und eine Anpassung der Brennergeometrie erforderlich.
  • Bei der elektronischen Regelung des Mischungsverhältnisses aus Brenngas und Luft wird beispielsweise über einen im Brenngasstrom angeordneten Sensor die Brenngasart bestimmt und daraus der Luftbedarf ermittelt. Darauf basierend wird dann die Luftmenge eingeregelt. Dabei ist nachteilig, dass alle Eingangsgrößen zur Regelung, d.h. Luftvolumenstrom, Gasvolumenstrom und Brenngaseigenschaften gemessen und überwacht werden müssen
  • Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus EP0275439 A1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft für ein Heizgerät bereitzustellen, das unabhängig ist von der Brenngasart und variierenden Umgebungsbedingungen oder Einbaubedingungen im Heizgerät. Ferner soll ein hoher Modulationsbereich von möglichst geringen bis möglichst hohen Brennerleistungen angepasst an den Wärmebedarf realisierbar sein.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft für ein Heizgerät vorgeschlagen, wobei das Brenngas und die Luft jeweils unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten aufweisen. Bei dem Verfahren werden ein Brenngasmassenstrom und ein Luftmassenstrom jeweils getrennt bereitgestellt und in einen Gesamtmassenstrom zusammengeführt. Zunächst wird jedoch der Luftmassenstrom vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom zumindest in einen ersten und einen zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt, wobei der zweite Luftmassenteilstrom bezüglich seiner Luftmasse um einen festgelegten Wert kleiner ist als der erste Luftmassenteilstrom. Von den Luftmassenteilströmen wird zunächst ausschließlich der geringere zweite Luftmassenteilstrom mit dem Gasmassenstrom zusammengeführt und zu einer Vormischung gemischt. Über einen Sensor werden die stofflichen Eigenschaften der Vormischung gebildet aus zweitem Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom erfasst und daraus ein Vormischungsverhältnis der Vormischung bestimmt. Aus dem Vormischungsverhältnis wird anschließend über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom berechnet und geregelt.
  • Über das Verfahren wird ermöglicht, den Sensor unmittelbar mit dem Brennstoff-Luftgemisch zu beaufschlagen und die stofflichen Eigenschaften des Gemisches zu erfassen. Eine Veränderung eines der beiden Parameter Brenngasmenge oder Luftmenge wird sofort durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften erkannt und durch die Regelung ausgeglichen. Durch die Aufteilung des Luftmassenstromes kann der Sensor eine Vormischung aus dem zweitem, geringer Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom messen. Da in der Regel die Brennstoffmenge für eine saubere Verbrennung deutlich unter der erforderlichen Luftmenge liegt (z.B. Erdgas-Luftgemisch-Verhältnis 1:13, Flüssiggas-Luftgemisch-Verhältnis 1:40) würde eine Veränderung des Gasmenge sich ohne Aufteilung des Luftmassenstromes im Gesamtmassenstrom nur entsprechend des Mischungsverhältnis auf das Sensorsignal auswirken. Am Beispiel Flüssiggas-Luft würde das bedeuten, dass eine Gasmengenänderung von 10% im Gemisch von in einem Anteil von 1/40, also 0,25% des Gesamtmassenstromes ausmachen würde. Durch die Aufteilung des Luftmassenstromes und Mischung eines geringeren Teilluftmassenstromes mit dem gesamten Gasmassenstromes zur Vormischung wird der Sensor mit einer Brenngas-Luftmischung beaufschlagt, bei der Anteil an Brenngas um ein Vielfaches höher ist. Somit lässt sich über einen breiteren Modulationsbereich, insbesondere auch bei geringeren Brennerleistungen regeln.
  • Bei dem Verfahren sind die stofflichen Eigenschaften der Vormischung aus zweitem Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom vorzugsweise thermische die Leitfähigkeit betreffende stoffliche Eigenschaften, vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität. Entsprechende Sensorenhardware ist in der Technik bekannt. Beispielsweise werden kalorimetrische Mikrosensoren eingesetzt, die neben der Brenngasmasse die thermische Leitfähigkeit des Brenngases erfassen können.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird der zweite Luftmassenteilstrom bezüglich seiner Masse derart festgelegt, dass er dem Gasmassenstrom entspricht. Bei Erdgas als Brenngas wäre dies ein Anteil von 1/13 der Gesamtluftmasse, bei Flüssiggas als Brenngas 1/40 der Gesamtluftmasse. Die Vormischung wird dann jeweils hälftig aus Brenngas und Luft gebildet.
  • In einer Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischungsverhältnis durch einen Vergleich der insbesondere die thermische Leitfähigkeit betreffenden stofflichen Eigenschaften der Vormischung mit labortechnisch ermittelten Kennlinien der entsprechenden stofflichen Eigenschaften des Brenngases und der Luft bei verschiedenen Mischungsverhältnissen bestimmt wird. Entsprechende Kennlinien können im Heizgerät, insbesondere in einem Speicher zum Abgleich bzw. der Bestimmung der stofflichen Eigenschaften durch das Steuergerät hinterlegt werden.
  • Die Regelung des Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft erfolgt ebenfalls über das Steuergerät, das an dem Heizgerät den Luftmassenstrom über ein Luftstellglied und den Gasmassenstrom über ein Gasstellglied regelt. Als Gasstellglied wird vorzugsweise ein elektronisch ansteuerbares Gasregelventil, als Luftstellglied ein elektronisch ansteuerbares Gebläse verwendet.
  • Neben der Regelung des Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft in Abhängigkeit der Wärmeanforderung an das Heizgerät umfasst das Verfahren auch eine Komponente zur Verbesserung des Starts des Heizgeräts, d.h. der Zündung des Brenners. Hierzu wird vorgesehen, dass beim Start des Heizgeräts das Luftstellglied über das Steuergerät auf einen Startluftmassenstrom gesteuert wird, wobei anschließend während andauernder Zündversuche des Brenners über das Gasstellglied der Brenngasmassenstrom erhöht wird, bis das gewünschte Mischungsverhältnis aus Brenngas und Luft erreicht ist und der Brenner bei dem gewünschten Mischungsverhältnis brennt. Das Erreichen des gewünschten Mischungsverhältnisses aus Brenngas und Luft wird dadurch festgestellt, dass über den Sensor geprüft wird, ob die Vormischung die festgelegten stofflichen Eigenschaften erreicht. Die Vormischung steht repräsentativ für den Gesamtmassenstrom.
  • Das Verfahren umfasst ferner, dass bei Nichterreichen der festgelegten stofflichen Eigenschaften der Vormischung über das Steuergerät das Gasstellglied angesteuert und der Brenngasmassenstrom dadurch soweit verändert wird, bis die Vormischung die festgelegten die Leitfähigkeit betreffenden stofflichen Eigenschaften aufweist und mithin das gewünschte Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom erreicht ist. Das bedeutet, dass wenn sich beispielsweise im Laufe der Regelung der Mengen an Brenngas und Luft sowie des Mischungsverhältnis der beiden Gemischkomponenten durch äußere Einflussfaktoren wie einen erhöhten Gegendruck die Luftmasse für den Gesamtmassenstrom verändern, sich proportional in gleicher Weise der mit dem Gasmassenstrom vorgemischte zweite Luftmassenteilstrom verändern würde. Damit verändert sich in gleicher Weise die Zusammensetzung der Vormischung aus Brenngas und zweitem Luftmassenteilstrom, die durch die Sensormessung erfasst wird. Im Zuge der Gemischregelung passt das Steuergerät entsprechend den Brenngasmassenstrom durch Ansteuerung des Gasstellglieds an, bis die ursprüngliche Leitfähigkeit des Vorgemisches und somit das ursprüngliche Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft des Gesamtmassenstromes erreicht wird.
  • Zur Realisierung der Aufteilung des Luftmassenstromes sieht das Verfahren in einer ersten Ausführungsvariante vor, dass der Luftmassenstrom über eine Düse mit einem Hauptkanal und einem Bypasskanal in einen ersten und einen zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt wird, wobei der erste Luftmassenteilstrom durch den Hauptkanal und der zweite Luftmassenteilstrom durch den Bypasskanal geführt wird. In den Bypasskanal wird auch der Brenngasmassenstrom eingeleitet, so dass die sich ergebende Vormischung durch den Bypasskanal zurück in den ersten Luftmassenteilstrom geführt wird und den Gesamtmassenstrom bildet. Der Sensor ist im Bypasskanal angeordnet und wird von der Vormischung umströmt.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante des Verfahrens wird der Luftmassenstrom über eine Venturidüse mit in Umfangsrichtung verteilten getrennten Strömungssegmenten in den ersten und zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt, wobei der erste Luftmassenteilstrom durch ein einzelnes der Strömungssegmente und der zweite Luftmassenteilstrom durch die übrigen Strömungssegmente geführt wird. Vorzugsweise weisen die Strömungssegmente jeweils einen gleich großen Strömungsquerschnitt auf.
  • Die Venturidüse umfasst in einer günstigen Ausführung einen Gasanschluss zur Zuführung des Brenngasmassenstromes, der in das Strömungssegment des zweiten geringeren Luftmassenteilstroms führt, so dass die sich ergebende Vormischung innerhalb des einen Strömungssegments geführt wird. Vorzugsweise wird der Sensor innerhalb dieses Strömungssegments angeordnet, durch den die Vormischung aus dem zweitem Luftmassenteilstrom und dem Gasmassenstrom strömt.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung zum prinzipiellen Verfahrensablauf;
    Fig. 2
    das Verfahren gemäß Figur 1 angewandt auf eine Heizgerät;
    Fig. 3
    ein Venturidüse zur Aufteilung des Luftmassenstromes.
  • Figur 1 zeigt beispielhaft schematisch das Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft, wobei über ein Stellglied 3 der Brenngasmassenstrom 1 und über ein Stellglied 4 der Luftmassenstrom 2 durch das Steuergerät 11 regelbar sind. Der Brenngasmassenstrom 1 und der Luftmassenstrom 2 werden zunächst getrennt voneinander zugeführt.
  • Der Luftmassenstrom 2 wird dann vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom 1 in einem festgelegten Größenverhältnis in den ersten Luftmassenteilstrom 7 und den zweiten Luftmassenteilstrom 6 aufgeteilt, wobei der zweite Luftmassenteilstrom 6 bezüglich seiner Luftmasse um einen festgelegten Wert kleiner ist als der erste Luftmassenteilstrom 7 und vorzugsweise der Größe des Gasmassenstroms 1 entspricht. Der Luftmassenstrom 2 wird über eine Düse 28 in einen Hauptkanal 25 und einen Bypasskanal 26 unterteilt, wobei der erste Luftmassenteilstrom 7 durch den Hauptkanal 25 und der zweite Luftmassenteilstrom 6 durch den Bypasskanal 26 strömt. Der Gasmassenstrom 1 mündet in den Bypasskanal 26 und wird mit dem zweiten Luftmassenteilstrom 6 zur Vormischung 8 vermischt. In einem Bereich des Bypasskanals 26, in dem die Vormischung 8 zum Hauptkanal 25 zurückgeführt wird, ist der Sensor S zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 angeordnet, der mit dem Steuergerät 11 signaltechnisch verbunden ist. Aus der über den Sensor S festgestellten Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 wird das Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 aus Gasmassenstrom 1 und zweitem Luftmassenteilstrom 6 bestimmt. Aus dem Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 wird über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms 7, 6 das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom 10 über das Steuergerät 11 berechnet und geregelt. Die Regelung erfolgt über die Anpassung des Stellglieds 3 des Gasmassenstrom 1 und des Stellglieds 4 des Luftmassenstroms 2.
  • In Figur 2 wird das in Figur 1 prinzipiell dargestellte Verfahren auf ein Heizgerät 100 angewandt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bzw. Merkmale benennen. Die Brenngaszuführung erfolgt über die Gasleitung 20, die Brenngasmassenregelung über das Stellglied 3, das in Form eines über das Steuergerät 11 ansteuerbaren Schrittmotors ausgeführt ist. Die Zuführung des Luftmassenstromes wird durch das Gebläse 22 realisiert. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 27 mit ebenfalls optional angeschlossenem Krümmer 29 vorgesehen. Daran schließt sich der Brenner 31 und einem mit dem Brennergehäuse verbundenen Siphon an. Um den Brenner 28 ist der Wärmetauscher 18 angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 19. Der von dem Gebläse 22 erzeugte Luftmassenstrom wird vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom 1 in dem festgelegten Größenverhältnis in den ersten Luftmassenteilstrom 7 und den kleineren zweiten Luftmassenteilstrom 6 aufgeteilt. Der Luftmassenstrom 2 wird über die Düse 28 in dem Hauptkanal 25 und dem Bypasskanal 26 unterteilt, wobei der erste Luftmassenteilstrom 7 durch den Hauptkanal 25 und der zweite Luftmassenteilstrom 6 durch den Bypasskanal 26 strömt. Der Gasmassenstrom 1 mündet in den Bypasskanal 26 und wird mit dem zweiten Luftmassenteilstrom 6 zur Vormischung 8 vermischt. Im Bypasskanal 26 ist der Sensor S zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 angeordnet, der mit dem Steuergerät 11 signaltechnisch verbunden ist. Aus der über den Sensor S festgestellten Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8 wird das Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 aus Gasmassenstrom 1 und zweitem Luftmassenteilstrom 6 bestimmt. Aus dem Vormischungsverhältnis der Vormischung 8 wird über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms 7, 6 das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom 10 über das Steuergerät 11 berechnet und geregelt. Die Regelung erfolgt über die Anpassung des Stellglieds 3 des Gasmassenstrom 1 und die Drehzahl des Gebläses 22 zur Erhöhung oder Absenkung des Luftmassenstroms.
  • Figur 3 zeigt eine Venturidüse 5' zur Aufteilung des Luftmassenstromes in den ersten Luftmassenteilstrom 7 und den zweiten Luftmassenteilstrom 6 als Alternative zur Düse 5 aus Figur 1 und 2. Alle zu Figur 1 und 2 offenbarten Merkmale gelten somit auch für die Ausführung der Düse 5 als Venturidüse 5' gemäß Figur 3. Die Venturidüse 5' umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten getrennten Strömungssegmenten 36, 37, die jeweils einen Strömungskanal durch die Venturidüse 5' bilden. In der gezeigten Ausführung umfasst die Venturidüse acht gleich dimensionierte Strömungssegmente 36, 37, wobei in das eine Strömungssegment 36 die Zuführung des Brenngasstromes 1 erfolgt und innerhalb des Strömungskanals des Strömungssegments 36 der zweite Luftmassenteilstrom 6 mit dem Brenngasstrom 1 zur Vormischung 8 gemischt werden. Der Sensor S hat seine Messfühler ebenfalls innerhalb des Strömungssegments 36 und erfasst die Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Vormischung 8. Die Verarbeitung des Messergebnisses des Sensors S erfolgt in der vorstehend zu Figur 1 und 2 beschriebenen Weise durch das Steuergerät 11. Durch die übrigen sieben Strömungssegmente 37 strömt der erste Luftmassenteilstrom 7 und wird am Venturiausgang mit der Vormischung 8 gemischt und an den Brenner (siehe Figur 2) weitergeleitet. Die gezeigte Ausführung der Venturidüse 5' reduziert den Luftmassenanteil in der Vormischung auf 1/8 des gesamten Luftmassenstromes 2 und ermöglicht somit eine genauere Messung und Regelung über einen höheren Modulationsbereich.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Regelung eines Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft mit jeweils unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit für ein Heizgerät (100), wobei ein Brenngasmassenstrom (1) und ein Luftmassenstrom jeweils getrennt bereitgestellt und in einen Gesamtmassenstrom (10) zusammengeführt werden, wobei der Luftmassenstrom vor der Zusammenführung mit dem Gasmassenstrom zumindest in einen ersten (7) und einen zweiten (6) Luftmassenteilstrom aufgeteilt wird, wobei der zweite Luftmassenteilstrom bezüglich seiner Luftmasse um einen festgelegten Wert kleiner ist als der erste Luftmassenteilstrom, wobei zunächst ausschließlich der zweite Luftmassenteilstrom mit dem Gasmassenstrom zusammengeführt und zu einer Vormischung (8) gemischt wird, dadurch gekennzeichnet dass über einen Sensor (S) stofflichen Eigenschaften der Vormischung aus zweitem Luftmassenteilstrom und Gasmassenstrom erfasst werden und daraus ein Vormischungsverhältnis der Vormischung bestimmt wird,
    wobei aus dem Vormischungsverhältnis über den festgelegten Wert des Größenunterschieds des ersten und zweiten Luftmassenteilstroms das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom berechnet und geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stofflichen Eigenschaften die Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftmassenteilstrom bezüglich seiner Masse dem Gasmassenstrom entspricht.
  4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischungsverhältnis durch einen Vergleich der stofflichen Eigenschaften der Vormischung mit labortechnisch ermittelten Kennlinien der entsprechenden stofflichen Eigenschaften des Brenngases und der Luft bei verschiedenen Mischungsverhältnissen bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Heizgerät der Luftmassenstrom über ein Luftstellglied (4) und der Gasmassenstrom über ein Gasstellglied (3) durch ein Steuergerät (11) geregelt werden.
  6. Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start des Heizgeräts das Luftstellglied über das Steuergerät auf einen Startluftmassenstrom gesteuert wird, wobei anschließend über das Gasstellglied der Brenngasmassenstrom erhöht wird, bis das gewünschte Mischungsverhältnis aus Brenngas und Luft erreicht ist, wobei dies dadurch festgestellt wird, dass über den Sensor geprüft wird, ob die Vormischung die festgelegten stofflichen Eigenschaften erreicht.
  7. Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterreichen der festgelegten stofflichen Eigenschaften der Vormischung über das Steuergerät das Gasstellglied angesteuert und der Brenngasmassenstrom soweit verändert wird, bis die Vormischung die festgelegten stofflichen Eigenschaften aufweist und mithin das gewünschte Mischungsverhältnisses von Brenngas und Luft im Gesamtmassenstrom erreicht ist.
  8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom über eine Düse (28) mit einem Hauptkanal (25) und einem Bypasskanal (26) in den ersten und den zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt wird, wobei der erste Luftmassenteilstrom durch den Hauptkanal und der zweite Luftmassenteilstrom durch den Bypasskanal geführt wird, und wobei der Sensor im Bypasskanal angeordnet ist.
  9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom über eine Venturidüse (5') mit in Umfangsrichtung verteilten getrennten Strömungssegmenten in einen ersten und einen zweiten Luftmassenteilstrom aufgeteilt wird, wobei der zweite geringere Luftmassenteilstrom durch ein einzelnes der Strömungssegmente und der erste Luftmassenteilstrom durch die übrigen Strömungssegmente geführt wird.
  10. Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssegmente jeweils einen gleich großen Strömungsquerschnitt aufweisen.
  11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 9 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturidüse einen Gasanschluss zur Zuführung des Brenngasmassenstromes umfasst, wobei der Gasanschluss in das Strömungssegment des zweiten Luftmassenteilstroms führt und die Vormischung aus dem zweitem Luftmassenteilstrom und dem Gasmassenstrom innerhalb dieses Strömungssegments geführt wird.
  12. Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor innerhalb des Strömungssegments angeordnet ist, durch den der zweite Luftmassenteilstrom und die Vormischung aus dem zweitem Luftmassenteilstrom und dem Gasmassenstrom strömen.
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