NL8102571A - Inrichting voor het verhitten van een stromend warmtetransporterend fluidum. - Google Patents

Description

N « if

» NEDERLANDSE ENERGIE ONTWIKKELINGS MAATSCHAPPIJ

(NEOtt) B.V. TE HEERLEN

Uitvinder: Norbert G.L.M. JANSSEN te Ulestraten 1 3285

INRICHTING VOOR HET VERHITTEN VAN EEN STROMEND WARMTETRANSPORTEREND FLUÏDUM

De uitvinding heeft betrekking op een met gasvormige of vloeibare brandstof gestookte inrichting voor het verhitten van een stromend warmtetransporterend fluidum, voorzien van middelen voor het regelen van de toegevoerde hoeveelheid brandstof, van een ventilator 5 voor het toevoeren van verbrandingslucht, van middelen om de toegevoerde hoeveelheid verbrandingslucht te meten en te regelen, van middelen voor het detecteren van de warmtebehoefte van met het stromend warmtetransporterend fluidum te voeden warmteverbruikende apparatuur, en van een digitaal rekentuig dat signalen kan'ontvangen van de 10 genoemde meet- en detectiemiddelen en dat besturingssignalen kan sturen naar de genoemde regelmiddelen.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.216.661. De daarin beschreven inrichting is een grote industriële ketelinstallatie die onder variabele belasting en met aan 15 veranderingen onderhevige brandstof veilig en economisch bedreven moet kunnen worden. De installatie is daartoe voorzien van een uitgebreid meet- en regelsysteem met, onder andere, een rekentuig en microgolf-gasanalyseapparatuur voor het bewaken van de samenstelling van de rookgassen om een onveilige ontwikkeling tijdig te detecteren en 20 signaleren, en middelen voor het bijsturen van, bijvoorbeeld, de brandstof-luchtverhouding. Het in deze publicatie beschreven systeem is voor toepassing in kleinere installaties, zoals kleine industriële verhittingsinstallaties, air-conditioning- en centrale-verwarmings-installaties, te ingewikkeld, daardoor onderhevig aan storingen, en te 25 kostbaar.

De uitvinding voorziet nu in een eenvoudiger inrichting van het aangegeven type, die ook als kleinere installatie kan worden uitgevoerd zonder dat daarbij de genoemde nadelen optreden.

De inrichting volgens de uitvinding wordt daardoor geken- » 81 02 5 7 1 » '5 2 merkt, dat de middelen voor het regelen van de toegevoerde hoeveelheid brandstof bestaan nit een stel parallel geschakelde door het rekentuig open-dicht bestuurde magneetventielen, waarvan de bij een bepaalde druk doorgelaten hoeveelheden brandstof zich verhouden als opeen-5 volgende machten van 2, en dat de middelen voor het regelen van de toegevoerde hoeveelheid verbrandingslucht in hoofdzaak bestaan uit een door het rekentuig bestuurde toerentalregelaar die het toerental van de ventilator zodanig kan regelen dat bij iedere optredende kombinatie van geopende magneetventielen de luchtfactor een vooraf ingestelde 10 waarde heeft.

Met 'luchtfactor' wordt hier bedoeld de verhouding van de toegevoerde luchthoeveelheid tot de voor stoechiometrisch volledige verbranding theoretisch nodige luchthoeveelheid; voor volledige verbranding is in de praktijk een zekere luchtovermaat, dus een lucht-15 factor groter dan 1, nodig.

Met een stel van, bij voorbeeld, vier magneetventielen kan de brandstoftoevoer in vijftien stappen (8+4+2+1) van minimaal tot maximaal gevarieerd worden. Een dergelijke stapsgewijze regeling is in vele gevallen ruimschoots voldoende en stelt aan het rekentuig veel 20 minder hoge eisen dan een continu-variabele regeling, zodat zij zich zeer geschikt laat realiseren met een microcomputer in plaats van een 'volwassen' computer. Ook is een stel (open-dicht) magneetventielen aanmerkelijk minder kostbaar dan een continu-variabele regelafsluiter.

Wanneer de samenstelling van de toegevoerde brandstof niet 25 geheel constant is kan het gewenst zijn de brandstof-lucht verhouding te variëren om de gewenste luchtfactor te handhaven. Bij voorkeur is daartoe volgens de uitvinding in de weg van de rookgassen een sensor voor het bepalen van het zuurstofgehalte van de rookgassen geplaatst, die een signaal aan het rekentuig kan sturen, en geeft het rekentuig 30 een signaal voor het instellen van de brandstof-lucht verhouding waarbij de voor de toegevoerde brandstof gewenste luchtfactor wordt gehandhaafd. Het zuurstofgehalte van de rookgassen blijft hierbij constant op een bepaalde gekozen waarde. Geschikte sensoren voor het zuurstofgehalte, met name de zogenaamde Zirconiumoxyde-zuurstofsonden, 35 zijn in de handel verkrijgbaar.

Dë uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een inrichting zoals hierboven besproken, uitgevoerd als centrale- 81 02 5 7 1 ♦' * 3 verwarmingsinstallatie, tenminste omvattende een met gas of olie gestookte ketel, een leidingnet voor circulatie van warmtetransporterend fluïdum en verwarmingsradiatoren in de te verwarmen ruimten. De uitvinding heeft in deze uitvoeringsvorm vooral voordelen, als de ketel 5 een modem CV-ketel met hoog rendement is. Zoals bekend werkt een hoogrendement CV-toestel eerst werkelijk met een hoog rendement, indien de verbrandingsgassen zover afgekoeld worden, dat een zo groot mogelijk gedeelte van de beschikbare condensatiewarmte wordt teruggewonnen en meegedeeld aan het circulatiewater. Dit kan bereikt worden 10 door de temperatuur van het circulatiewater zo laag mogelijk te houden, en het waterdauwpunt van de verbrandingsgassen zo hoog mogelijk te houden.

De laagst mogelijke watertemperatuur is te bereiken door het vermogen van de brander van het CV-toestel te regelen door middel van 15 een geschikt regelalgorithme op basis van het verschil tussen gewenste en gemeten kamertemperatuur. Daartoe is een hiervoor geschikte inrichting volgens de uitvinding voorzien van detectiemiddelen voor het detecteren van warmtebehoefte die tenminste bestaan uit een ruimtetem-peratuurmeter in een van de te verwarmen ruimten, die een temperatuur-20 signaal aan het rekentuig kan sturen, en kan het rekentuig aan het stel magneet-ventielen besturingssignalen sturen die de kombinatie van geopende en gesloten ventielen volgens een vooraf in het rekentuig ingesteld regelalgorithme variëren met het verloop van het verschil tussen de gemeten ruimtetemperatuur en een ingestelde gewenste ruimte-25 temperatuur. Een goede regeling wordt verkregen als het regelalgorithme zodanig is ingesteld dat de toegevoerde gashoeveelheid stapsgewijs proportioneel, of, bij voorkeur stapsgewijs proportioneel en integrerend met het genoemde temperatuurverschil verloopt. Hierbij wordt dan een optredende regelafwijking geheel opgeheven. De regeling 30 kan, bij het optreden van grote tijdconstantes, ook stapsgewijs propertioneel, integrerend en differentiërend zijn om een snellere reactie te bewerkstelligen; dit geval doet zich voor als de ruimte waar zich de temperatuurmeter bevindt een relatief grote warmte-capaciteit heeft.

35 De regeling volgens de uitvinding verdisconterd nauwkeurig de storende invloeden zoals 'weer’ en bewonersgedrag, terwijl toch het maximale toestelvermogen ter beschikking blijft. Dit laatste is van 81 02 5 7 1 4 belang voor het snel opwannen van de woning.

Een zo hoog mogelijk waterdauwpunt van de verbrandingsgassen kan verkregen worden door de verbranding te laten plaatsvinden met de · kleinst mogelijke luchtovermaat. Voor Gronings aardgas geldt dat het 5 waterdauwpunt van de verbrandingsgassen ca. 12“C hoger is bij een luchtfactor 1 dan bij een luchtfactor 2 bij gelijk blijvende eigenschappen van de verbrandingslucht. Om een volledige verbranding te garanderen dient de luchtfactor afhankelijk van het ontwerp van het verwarmingstoestel iets hoger dan 1, bijvoorbeeld 1,05 te zijn. De 10 regeling van de luchtfactor is in het voorgaande reeds besproken.

Het rekentuig -dat bij voorkeur is uitgevoerd als een microcomputer- verschaft de mogelijkheid tot het aanbrengen van verdere voorzieningen aan een CV-installatie zoals hierboven aangegeven, waardoor het mogelijk is om, afhankelijk van de manier van bewoning, 15 bepaalde vertrekken volgens een instelbaar tijdprogramma wel of niet te verwarmen. Bij een hiervoor geschikte verwarmingsinrichting volgens de uitvinding is althans een deel van de radiatoren opgesteld in andere te verwarmen ruimten dan de ruimte waarin zich de genoemde ruimtetemperatuurmeter bevindt en zijn deze radiatoren voorzien van 20 een thermostatische radiatorafsluiter en is van althans een deel van deze thermostatische radiatorafsluiters het temperatuurgevoelige deel voorzien van een elektrisch verwarmingselement van gering vermogen dat, als het wordt ingeschakeld, het sluiten van de betreffende thermostatische radiatorafsluiter bewerkstelligt, welk verwarmingselement 25 door besturingssignalen vanuit het rekentuig volgens een gekozen tijdprogramma kan worden in- en uitgeschakeld.

Het brandstofverbruik kan voorts met behulp van het rekentuig gemakkelijk bepaald worden met de voor het verkrijgen van een globaal inzicht in het brandstofverbruik vereiste lage nauwkeurigheid, daar de 30 totaaltijd dat de afzonderlijke magneetventielen in de brandstof- toevoer open zijn een goede maat is voor het brandstofverbruik. Daartoe is volgens de uitviding het rekentuig zodanig ingericht, dat het de volgende berekening kan uitvoeren en het resultaat op een display kan weergeven: 35 Q = 0(^ Et^ + k£ Zt2 ···· +1¾ £tn), waarin Q = het brandstofverbruik gedurende een bepaalde tijd C een vooraf in te stellen constante 8102571 5 β fclepkonstauten van de afzonderlijke ventielen *ï....n “ tijden dat de afzonderlijke ventielen geopend zijn.

Onder ’klepconstante wordt hier verstaan een grootheid Qn/^p, waarin Qn* de door een ventiel per tijdseenheid doorgelaten hoeveelheid 5 brandstof bij een drukval ΔΡ over het ventiel is; ΔΡ wordt met een drukregelaar vast ingesteld.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening bij wijze van niet-beperkend voorbeeld. In de tekening is een met gas gestookte CV (« centrale-verwarmings)-inrichting volgens de uitvinding 10 met de bijbehorende meet- en regelapparatuur schematisch weergegeven.

Met 1 is een warmwater-CV-ketel aangegeven met een warmtewisselaar 2, een watercirculatiepomp 3 en een gasbrander 4. In de gastoevoerleiding is voor regeling van de gastoevoer een stel (open-dicht) magneetventielen 5 opgenomen, bestaande uit de parallel 15 geschakelde ventielen 5-1, 5-2, 5-4 en 5-8 waarvan de klepconstanten zich verhouden als 1 : 2 : 4 : 8, zodat de gastoevoer kan worden gevarieerd in stappen van 1/^5 van de maximum gastoevoer Qma-g·» In de gastoevoerleiding bevindt zich verder een drukregelaar 6 en een veiligheidsafsluiter 7.

20 Verbrandingslucht wordt aan de gasbrander 4 toegevoerd met een ventilator .8, die wordt aangedreven met een electromotor 9, waarvan het toerental wordt ingesteld door een elektronische toerental-varlator 10.

De CV-ketel 1 is op de gebruikelijke wijze voorzien van een 25 minimum-waterdrukschakelaar 11 en een maximum-watertemperatuur- schakelaar 12, die bij te lage waterdruk of te hoge watertemperatuur de veiligheidsafsluiter 7 besturen, zodat de gastoevoer wordt onderbroken.

De ketel is verder voorzien van een elektrische ontsteker 13, 30 een vlamdetector 14, een luchtsnelheidssensor 15 voor het meten van de toegevoerde luchtstroom, een watertemperatuursensor 16 en een zuurstofsensor 17 voor het meten van het zuurstofgehalte van de verbrandingsgas sen.

De CV-installatie is verder voorzien van een kamerthermostaat 35 18 met een kamertemperatuursensor 19, een temperatuurschaal 20 voor het instellen van de gewenste kamertemperatuur en het aflezen van de werkelijke kamertemperatuur, een tijdschaal 21 voor het instellen van 8102571 € ·* 6 een tijdprogramma over 24 uur voor de werking van de CV-installatie, en een display 22 waarop het gasverbruik van de installatie over een bepaalde periode (bijvoorbeeld vanaf de aanvang van het stookseizoen of het kalenderjaar, danwel vanaf het moment dat b.v. een tarief-5 verhoging van de gasleverancier is ingegaan) kan worden afgelezen.

De algehele werking van de CV-installatie wordt bestuurd door een rekentuig (micro-computer, microprocessor, centrale verwerkings-eenheid) 23, dat signalen ontvangt van de kamerthermostaat 20, de vlamdetector 14, de luchtsnelheidssensor 13, de watertemperatuursensor 10 16 en de zuurstofsensor 17 en besturingssignalen stuurt naar het stel gasventielen 5, de toerentalvariator 10, de ontsteker 13, de motor van de circulatiepomp 3 en de kamerthermostaat 20. Voorts bestuurt het rekentuig via stuurleidingen 24 een aantal thermostatische radiator-afsluiters, die volgens een ingesteld tijdprogramma gedurende, 15 bijvoorbeeld, een deel van het etmaal gesloten gehouden worden door het inschakelen van een verwarmingselementje in de afsluiters, zoals hierboven reeds is beschreven.

Het bedrijf van het beschreven CV-toestel verloopt als volgt: a. Indien de gemeten kamertemperatuur lager is dan de gewenste kamer- 20 temperatuur wordt de· ventilator 8 ingeschakeld op maximaal lucht- debiet gedurende een door het volume van het CV-toestel bepaalde tijd. De luchtsnelheidssensor 15 moet ook daadwerkelijk het maximale luchtdebiet gedurende de geprogrammeerde tijd meten, om er zeker van de te zijn dat het toestelvolume schoon gespoeld is van 25 een eventueel, aanwezig ontplofbaar gasmengsel.

b. De ventilator 8 wordt teruggestuurd naar een luchthoeveelheid overeenkomend met 1/^5 Qmax lucht/gas.

c. Het magneetventiel 5-1 in de digitale gasregelklep 5 met Q “ I/15 Qmax wordt geopend.

30 d. De electrische ontsteking 13 wordt bekrachtigd en de vlamdetectie 14 geactiveerd.

e. Indien binnen bijvoorbeeld 5 sec. een vlam gedetecteerd wordt dan wordt f. het brander vermogen vergroot met stappen ter grootte van l/]_5 35 Qmax tot een waarde van ΔΤ. Kp.

Waarin : ΔΤ 3 verschil tussen gewenste en gemeten kamertemperatuur.

Kp = proportionele versterking van het regelalgorithme in 81 0 2 5 7 1 7 het rekentuig 23. (bv. Kp * 3/15 OmW^C).

Het in het rekentuig 23 geprogrammeerde regelalgorithme bevat een integrerende term die het brandervermogen verder langzaam opvoert als functie van het temperatuur verschil ΔΤ en de tijd, door het 5 langzaam verder openen van de digitale gasregelklep 5 evenredig met de t»co waarde t=0 ·> ΔΤ dt waarin τ± de in het regelalgorithme werkende integrerende tijdconstante is. Beide regelacties beïnvloeden de stand van de digitale gasregelklep 5 zodanig dat en zolang tot ΔΤ = 0. Bij de stapsgewijze verhoging van de gastoevoer vindt steeds 10 vooraf een stapsgewijze verhoging van de luchttoevoer plaats, bij de stapsgewijze verlaging van de gastoevoer vindt de stapsgewijze verlaging van de luchttoevoer achteraf plaats.

Naast deze kamertemperatuurregeling zorgt de zuurstofsensor 17 voor de informatie voor een eventueel noodzakelijke correctie van 15 de lucht-gas-verhouding door middel van een nagenoeg simultaan werkende regelkring, waarvan het regelalgorithme van het rekentuig deel uitmaakt.

Deze manier van regeling zorgt er dus voor, dat een brandervermogen ontstaat dat precies in staat is om de gewenste kamertemperatuur te 20 handhaven, bij de laagst mogelijke temperatuur van het circulatiewater en met inachtneming van alle storende factoren, zoals 'weer* en bewonersgedrag.

Ten gevolge van de lucht-gas-verhoudigs regeling zullen verbrandingsgassen geproduceerd worden met het hoogst mogelijke 25 waterdauwpunt.

Verdere beveiliging van het CV-toetel kan plaatsvinden door middel van het bewaken van de beide uitstuurgrenzen van de corrigerende signalen, waardoor de veiligheidsafsluier 7 sluit bij onveilige situaties, zoals uitvallen van de vlam, onvoldoende luchttoevoer of onvoldoende afvoer 30 van de verbrandingsgassen door verstoppingen of windinvloeden, etc.

81 02 5 7 1

Claims (7)

8 3285 • ψ

1. Met gasvormige of vloeibare brandstof gestookte inrichting voor het verhitten van een stromend warmtetransporterend fluidum, voorzien van middelen voor het regelen van de toegevoerde hoeveelheid brandstof, van een ventilator voor het toevoeren van ver- 5 brandingslucht, van middelen om de toegevoerde hoeveelheid verbrandingslucht te meten en te regelen, van middelen voor het detecteren van de warmtebehoefte van met het stromend warmtetransporterend fluidum te voeden warmteverbruikende apparatuur en van een digitaal rekentuig, dat signalen kan ontvangen van de 10 genoemde meet- en detectiemiddelen en dat besturingssignalen kan sturen naar de genoemde regelmiddelen, met het kenmerk, dat de middelen voor het regelen van de toegevoerde hoeveelheid brandstof bestaan uit een stel parallel geschakelde door het rekentuig opendicht bestuurde magneetventielen, waarvan de bij een bepaalde druk 15 doorgelaten hoeveelheden brandstof zich verhouden als opeen volgende machten van 2, en dat de middelen voor het regelen van de toegevoerde hoeveelheid verbrandingslucht in hoofdzaak bestaan uit een door het rekentuig bestuurde toerentalregelaar die het toerental van de ventilator zodanig kan regelen dat bij iedere optre-20 dende kombinatie van geopende magneetventielen de luchtfactor een vooraf ingestelde waarde heeft.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in de weg van de rookgassen een sensor voor het bepalen van het zuurstofgehalte van de rookgassen geplaatst is, die een signaal aan het rekentuig 25 kan sturen, en het rekentuig een signaal geeft voor het instellen van de brandstof-lucht verhouding, waarbij de voor de toegevoerde brandstof gewenste luchtfactor wordt gehandhaafd.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, uitgevoerd als centrale-verwarmingsinstallatie, tenminste omvattende een met gas of olie 30 gestookte ketel, een leidingnet voor circulatie van warmtetrans porterend fluidum en verwarmingsradiatoren in de te verwarmen ruimten, met het kenmerk, dat de detectiemiddelen voor het detecteren van warmtebehoefte tenminste bestaan uit een ruimtetem-peratuurmeter in een van de te verwarmen ruimten, die een tem- 81 02 5 7 1 ♦ · peratuursignaal aan het rekentuig kan sturen, en het rekentuig aan het stel magneetventielen besturingssignalen kan sturen die de kombinatie van geopende en gesloten ventielen volgens een vooraf in het rekentuig ingesteld regelalgorithme variëren met het 5 verloop van het verschil tussen de gemeten ruimtetemperatuur en een ingestelde gewenste ruimtetemperatuur.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het regelalgorithme zodanig is ingesteld, dat de toegevoerde hoeveelheid brandstof stapsgewijs proportioneel en integrerend met het 10 genoemde temperatuurverschil verloopt.

5. Inrichting volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat althans' een deel van de radiatoren is opgesteld in andere te verwarmen ruimten dan de ruimte waarin zich de ruimtetemperatuurmeter bevindt en deze radiatoren zijn voorzien van een thermostatische 15 radiatorafsluiter en dat van althans een deel van deze ther mostatische radiatorafsluiters het temperatuurgevoelige deel is voorzien van een elektrisch verwarmingselement van gering vermogen dat, als het wordt ingeschakeld, het sluiten van de betreffende thermostatische radiatorafsluiter bewerkstelligt, welk verwarm- 20 ingselement door besturingssignalen vanuit het rekentuig volgens een gekozen tijdprogramme kan worden in- en uitgeschakeld.

6. Inrichting volgens een of meer van de conclusies 1-5, met het kenmerk, dat het rekentuig zodanig ingericht is, dat het de volgende berekening kan uitvoeren en het resultaat op een display 25 kan weergeven: Q s C(kj Iti + k2 Zt2 .... + 1¾ Etn), waarin Q * het brandstofverbruik gedurende een bepaalde tijd C . * een vooraf in te stellen constante kl....n * klepkonstanten van de afzonderlijke ventielen 30 n “ tijden dat de afzonderlijke ventielen geopend zijn.

7. Inrichting in hoofdzaak zoals beschreven en toegelicht aan de hand van de tekening. FHJ/WR 81 02 5 7 1