DE102004055716B4

DE102004055716B4 - Verfahren zur Regelung einer Feuerungseinrichtung und Feuerungseinrichtung (Elektronischer Verbund I)

Info

Publication number: DE102004055716B4
Application number: DE102004055716A
Authority: DE
Inventors: Martin Geiger; Ulrich Geiger; Rudolf Tungl
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: WO2006000366A1; US20110033808A1; EP2594848B1; US8636501B2; KR20070043712A; EP2594848A1; KR20110129884A; EP1902254A1; CA2571520A1; EP1902254B1; CA2571520C; US8500441B2; DE102004055716C5; DE102004055716A1; US20080318172A1; CA2773654A1

Abstract

Verfahren zur Regelung einer Feuerungseinrichtung unter Berücksichtigung der Temperatur und/oder der Brennerbelastung, insbesondere bei einem Gasbrenner, umfassend:
Regelung der von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur (T_ist) unter Verwendung einer Kennlinie, die einen einer Solltemperatur (T_soll) entsprechenden Wertebereich in Abhängigkeit von einem der Brennerbelastung (Q .) entsprechenden ersten Parameter (ṁ_L, V ._L) darstellt, wobei bei der Darstellung der Kennlinie ein zweiter Parameter, die Luftzahl (λ), definiert als das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für optimale stöchiometrische Verbrennung erforderliche Luftmenge; konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, bei dem ein Wert ermittelt wird, der von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperatur abhängt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Feuerungseinrichtung, insbesondere einen Gasbrenner, der eine Einrichtung zum Messen eines Werts, der von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur abhängt, umfasst. Im Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer, für die Bereitung von Warmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme u. ä. eingesetzt. In den jeweiligen Betriebszuständen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere die Leistungsabgabe des Brenners.
Die Leistungsabgabe wird im Wesentlichen durch die Einstellung der Zufuhr von Brenngas und Luft und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft bestimmt. Auch die von der Flamme erzeugte Temperatur ist unter anderem eine Funktion des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme der Luft und des Gases angegeben werden. Es haben jedoch auch andere Parameter, wie die Brennstoffzusammensetzung, Einfluss auf die genannten Größen.
Für jeden vorgegebenen Luft-Massenstrom bzw. Gas-Massenstrom lässt sich zudem ein Mischungsverhältnis bestimmen, bei dem die Effektivität der Verbrennung maximiert wird, d.h. bei dem der Brennstoff möglichst vollständig und sauber verbrennt.
Aus diesem Grund hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Massenströme von Gas und Luft zu regeln und stets so einzustellen, dass jeweils eine optimale Verbrennung unter sich verändernden Anforderungen und Randbedingungen erreicht wird. Eine Regelung kann laufend oder in periodischen Abständen stattfinden. Insbesondere ist eine Regelung bei einer Umstellung des Betriebszustands, jedoch beispielsweise auch auf Grund von Änderungen der Brennstoffzusammensetzung im kontinuierlichen Betrieb erforderlich.
Zur Bereitstellung des Luft-/Gasgemisches, durch das die Brennerflamme gespeist wird, sind bekannte Gasbrenner in der Regel mit einem Radialgebläse ausgestattet, das im Betrieb das Gemisch aus Luft und Gas ansaugt. Die Einstellung der Massenströme von Luft und Gas kann beispielsweise durch die Änderung der Drehzahl und damit der Ansaugleistung des Gebläserads des Radialgebläses erfolgen. Zusätzlich können Ventile in der Gas- und/oder Luftzufuhrleitung vorgesehen sein, die zur Einstellung der einzelnen Massenströme oder ihres Verhältnisses betätigt werden können. Zur Messung einzelner Parameter können verschiedene Sensoren an geeigneten Stellen angeordnet sein. So können zur Messung des Massenstroms und/oder des Volumenstroms des Gases und/oder der Luft und/oder des Gemisches entsprechende Messvorrichtungen vorgesehen sein. Ebenso können Zustandsgrößen wie die Temperatur der Luft, Drücke usw. angeeigneten Stellen gemessen, ausgewertet und für die Regelung verwendet werden.
Die Regelung des Mischungsverhältnisses erfolgt heute standardmäßig, insbesondere bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch pneumatische Steuerung eines Gasventils in Abhängigkeit vom Volumenstrom der zugeführten Luftmenge (Prinzip des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Steuerung werden Drücke oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen als Steuergrößen für ein pneumatisches Gasregelventil, durch das die Gaszufuhr zum Luftstrom einge stellt wird, verwendet. Nachteilhaft an der pneumatischen Steuerung ist jedoch insbesondere, dass mechanische Bauteile eingesetzt werden müssen, die auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders bei niedrigen Arbeitsdrücken kommt es zu Ungenauigkeiten in der Steuerung, so dass das Gebläse stets einen bestimmten Mindestdruck erzeugen muss, um eine ausreichend präzise Regelung zu erreichen, was umgekehrt aber zu einer Überdimensionierung des Gebläses für die Maximalleistung führt. Außerdem ist der Aufwand bei der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten pneumatischen Gasregelventile wegen der hohen Präzisionsanforderungen beachtlich. Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen der Gasart und -qualität nicht flexibel reagiert werden. Um gewünschte Anpassungen der Gaszufuhr dennoch vornehmen zu können, müssen zusätzliche Einrichtungen, z.B. Stellglieder, bereit – und eingestellt werden, was erheblichen zusätzlichen Aufwand bei der Montage oder Wartung eines Gasheizgerätes bedeutet.
Aus diesen Gründen geht man dazu über, Gasbrenner mit einem elektronischen Verbund auszustatten. Bei elektronischer Steuerung können einfach steuerbare Ventile, etwa mit Pulsweiten modulierten Spulen oder mit Schrittmotoren, eingesetzt werden. Der elektronische Verbund funktioniert durch Erfassung wenigstens eines die Verbrennung charakterisierenden Signals, das an einen Regelkreis zum Nachregeln zurückgeführt wird.
Jedoch treten auch beim Einsatz des elektronischen Verbunds Situationen auf, auf die nicht angemessen reagiert werden kann, wie zum Beispiel eine Veränderung der Empfindlichkeit der Sensoren auf Grund von Verschmutzung. Außerdem besteht bei Änderungen der Last bzw. des Betriebszustands oder unmittelbar nach dem Betriebsstart des Gasbrenners die Gefahr, dass die Regelung wegen der Trägheit der Sensoren zeitlich verzögert funktioniert, was zu einer unvollkommenen Verbrennung und im Extremfall zum Erlöschen der Brennerflamme führt.
Die DE 100 45 270 C2 offenbart eine Feuerungseinrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Feuerungseinrichtung bei schwankender Brennstoffqualität. Insbesondere wird bei einer Änderung der Gasqualität das Brennstoff-Luftverhältnis entsprechend verändert. Dabei wird für jede geeignete Brennstoffart die Gemischzusammensetzung so lange nachgeregelt, bis die gewünschte Flammenkerntemperatur erreicht ist. Außerdem werden Kennfelder für verschiedene Brennstoffe verwendet, aus denen bei jeder Änderung der Leistungsanforderungen ein neues, geeignetes Brennstoff- Luftverhältnis ausgelesen wird.
In der GB 2 270 748 A ist ein Steuerungssystem für einen Gasbrenner gezeigt. Die Regelung erfolgt hier unter Verwendung einer an der Brenneroberfläche gemessenen Temperatur. Da die Oberflächentemperatur von der Flußrate des Luft-Gas-Gemisches abhängt, wird bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur die Geschwindigkeit des Gebläserotors gesenkt, wodurch der Luftfluss und damit das Luft-Gas-Verhältnis gesenkt wird.
Aus der AT 411 189 B ist ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners bekannt, bei dem die CO-Konzentration in den Abgasen der Brennerflamme mit einem Abgassensor erfasst wird. Ein bestimmter CO-Wert entspricht einem bestimmten Gas-Luft-Verhältnis. Ausgehend von einem bekannten, z.B. experimentell ermittelten, Gas-Luftverhältnis bei einem bestimmten CO-Wert kann ein gewünschtes Gas-Luftverhältnis eingestellt werden.
Die EP 770 824 B1 zeigt eine Regelung des Gas-Luftverhältnisses im Brennstoff-Luftgemisch durch Messen eines Ionisationsstroms, der vom Luftüberschuss in den Abgasen der Brennerflamme abhängt. Bei stöchiometrischer Verbrennung wird bekanntermaßen ein Maximum des Ionisationsstroms gemessen. In Abhängigkeit von diesem Wert kann die Gemischzusammensetzung optimiert werden.
Nachteilhaft an den zuletzt genannten Verfahren ist jedoch, dass das Rückkopplungssignal erst bei brennender Flamme erfasst und an den Regelkreis zurückgeführt werden kann. Außerdem limitiert die Trägheit der Sensoren eine genaue Nachregelung. Zudem unterliegen die verwendeten Sensoren Verschmutzungen, so dass die Verbrennung im Zeitverlauf suboptimal geregelt wird und somit die Schadstoffwerte steigen. Insbesondere beim Startvorgang, beidem noch kein Verbrennungssignal vorliegt, oder bei Laständerungen, bei denen in kurzer Zeit erhebliche Änderungen der Betriebsparameter erforderlich sind, kann es zu Schwierigkeiten und im Extremfall zu einem Erlöschen der Flamme kommen. Häufig wird aus diesen Gründen zusätzlich auf pneumatische Regler zurückgegriffen, was jedoch eine Erhöhung der Komplexität der Anlage sowie der Kosten nach sich zieht.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zu einer brennstoffunabhängigen Regelung einer Feuerungseinrichtung bereitzustellen. Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Feuerungseinrichtung gemäß Anspruch 12.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, umfasst die Schritte: Ermittlung eines Werts, der von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten gemessenen Temperatur abhängt; Vorgabe eines ersten Parameters, der einer bestimmten Brennerbelastung entspricht; und Regelung des Wertes der von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur abhängt unter Verwendung einer Kennlinie, die einen einer Solltemperatur entsprechenden Wertebereich in Abhängigkeit von dem einer Brennerbelastung entsprechenden ersten Parameter darstellt, wobei bei der Darstellung der Kennlinie ein zweiter Parameter, die Luftzahl (λ), definiert als das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für optimale stöchiometrische Verbrennung erforderliche Luftmenge, konstant ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Kennlinie zur Regelung des von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur abhängigen Wertes nicht von einer von der verwendeten Gasart abhängt. Das erfindungsgemäße Verfahren der Regelung ist somit gasartenunabhängig.
Die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur wird in der Regel durch einen im Flammenkern oder am Brenner selbst, beispielsweise an der Brenneroberfläche, angeordneten Sensor gemessen. Sie kann jedoch auch am Flammenfuß, an der Flammenspitze oder in einiger Entfernung im Wirkungsbereich der Flamme gemessen werden. Die gemessenen Temperaturen nehmen, je nachdem, wo der Temperatursensor angebracht ist, und in Abhängigkeit von der Belastung und vom Luft-Brennstoffverhältnis, etwa Werte zwischen 100°C und 1000°C an.
Die für einen konstanten zweiten Parameter dargestellte Kennlinie kann sowohl empirisch als auch rechnerisch ermittelt werden. Als zweiter Parameterwert ist der Wert vorgegeben, bei dem mit dem vorhandenen Brenner die optimale Verbrennung stattfindet. Beispielsweise kann als solcher zweiter Parameterwert die Luftzahl λ verwendet werden, die günstigerweise bei λ = 1,3 liegen soll. Die Luftzahl λ ist definiert als das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für optimale stöchiometrische Verbrennung erforderliche Luftmenge.
Das Verfahren ist unter anderem dadurch besonders einfach und zuverlässig, dass die Regelung unabhängig von der Qualität des Brennstoffes und damit ohne Analyse des Brennstoffs durchgeführt werden kann. Somit entfallen laufende oder periodische Korrekturen der Kennlinie oder eine Vorauswahl aus einem Kennlinienfeld für unterschiedliche Brennstoffe/Gase.
Der erste Parameter entspricht insbesondere einer der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zuzuführenden Luftmenge, vorzugsweise bei konstanter Temperatur und konstantem Druck. Dies bedeutet die Darstellung eines der Solltemperatur entsprechenden Wertes bei konstantem zweiten Parameterwert in Abhängigkeit von der der Brennerflamme pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge. Ein konstanter zweiter Parameter bedeutet im Umkehrschluss, dass mit der Änderung der Luftmenge die zugeführte Brennstoffmenge entsprechend geändert wird, um das für die Verbrennung optimale stöchiometrische Verhältnis zwischen Luft und Brenngas beizubehalten.
Der erste Parameter entspricht bevorzugt einem Massenstrom oder Volumenstrom der der Feuerungseinrichtung zuzuführenden Luft. Der Massenstrom der Luft kann beispielsweise durch einen Massenstromsensor im Zuführungskanal für die dem Brenner zugeführte Luft bestimmt werden. Bei einer Änderung der Belastung, entsprechend einer Änderung des Luftmassenstroms, ändert sich bei konstanten zweiten Parameter in gleicher Weise der Massenstrom bzw. Volumenstrom des Brennstoffs, der ebenfalls durch einen an geeigneter Stelle angeordneten Massenstromsensor gemessen werden kann.
Die Brennerbelastung ist bei konstanter Luftzahl im wesentlichen proportional zu der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luftmenge pro Zeiteinheit. Für die verwendete Kennlinie ist es also irrelevant, ob der erste Parameter etwa einen Luft- oder Gasmassenstrom oder aber eine Belastung ausdrückt.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise einen Vergleich des gemessenen von der Temperatur abhängigen Werts mit einem aus der Kennlinie ermittelten Sollwert. Wie bei den meisten Regelvorgängen wird aus einer Abweichung der Ist-Temperatur vom Temperatursollwert eine diese Abweichung verringernde Einstellung der Betriebsparameter so lange bzw. so oft vorgenommen, bis die Abweichung zwischen Ist- und Sollwert ausgeglichen ist. Beispielsweise kann bei einer unter der Solltemperatur liegenden gemessenen Temperatur durch schrittweise Erhöhung der zugeführten Brennstoffmenge das Gemisch so lange angefettet werden, bis die Abweichung des Ist-Werts vom Sollwert nicht mehr besteht. In gleicher Weise kann das Gemisch bei zu hoher Ist-Temperatur entsprechend abgemagert werden.
Der der Solltemperatur entsprechende Wert wird bevorzugt in Abhängigkeit vom ersten Parameter aus der Kennlinie ermittelt. Ist beispielsweise als erster Parameter der Massenstrom der Luft gewählt, so wird der Massenstrom der Luft vorgegeben und die diesem Massenstrom entsprechende Solltemperatur aus der Kennlinie ausgelesen. Die Regelung erfolgt so lange, bis der Wert der Ist-Temperatur dem Solltemperaturwert entspricht.
Der gemessene Wert und/oder der Wertebereich der Kennlinie entspricht insbesondere einem Temperaturunterschied. Zur Temperaturmessung können beispielsweise Thermoelemente eingesetzt werden. In einer besonderen Ausführungsform ist der Temperaturunterschied ein Temperaturunterschied zwischen einer im Bereich der Brennerflamme erzeugten Temperatur und einer Referenztemperatur.
Die Referenztemperatur kann der Temperatur der Luft oder des Luft-/Verbrennungsmedium-Gemisches vor Eintritt in den Bereich der Brennerflamme entsprechen. Ist die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt, kann auch die absolute Temperatur ermittelt werden. Alternativ kann beispielsweise die Umgebungstemperatur des Brenners als Referenz dienen.
Die Regelung kann eine Erhöhung oder Verminderung der pro Zeiteinheit zugeführten Gasmenge umfassen. In dieser Ausführung wird also die Temperatur durch Anfetten oder Abmagern des Gemisches mit Brennstoff geregelt, bis der gemessene von der Ist-Temperatur abhängige Wert mit dem Sollwert übereinstimmt.
Die Erhöhung oder Verminderung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Gas wird insbesondere durch Betätigung eines Ventils durchgeführt. Beispielsweise kann ein Schrittmotor ein Stellglied eines Ventils betätigen, oder eine Pulsweite moduliert bzw. eine elektrische Größe bei einer elektrisch gesteuerten Spule verändert werden.
Die erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung, insbesondere ein Gasbrenner, umfasst: eine Einrichtung zum Messen eines Werts, der von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur abhängt; Mittel zur Regelung der von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur unter Vorgabe eines ersten Parameters, der einer bestimmten Brennerbelastung entspricht, und unter Verwendung einer Kennlinie, die einen einer Solltemperatur entsprechenden Wertebereich in Abhängigkeit von dem der Brennerbelastung entsprechenden ersten Parameter darstellt, wobei bei der Darstellung der Kennlinie ein zweiter Parameter, der einem Verhältnis einer Luftmenge zu einer Menge an Verbrennungsmedium in einem der Feuerungseinrichtung zuzuführenden Gemisch aus Luft und Verbrennungsmedium entspricht, konstant ist.
Die Einrichtung zur Messung des von der Temperatur abhängigen Wertes kann insbesondere im Flammenkern, an der Brenneroberfläche, am Flammenfuß oder an der Flammenspitze angeordnet sein. Die Trägheit des Temperatursensors hängt im wesentlichen von der Entfernung zur Flamme und von den trägen Massen des Sensors und seiner Befestigung ab.
Der erste Parameter kann einer der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zuzuführenden Luftmenge, insbesondere einem Massenstrom oder Volumenstrom der Luft, entsprechen.
Die Feuerungseinrichtung weist bevorzugt eine Messeinrichtung zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Luft und/oder an Brennstoffmedium und/oder an einer Mischung aus Luft und Brennstoffmedium, insbesondere zur Messung eines Massenstroms oder Volumenstroms, auf. Die Sensoren sind so in der Vorrichtung anzuordnen, dass ein möglichst zuverlässiger Rückschluss auf die durchfließenden Massenströme gezogen werden kann. Dies kann beispielsweise in einem Bypass der Fall sein. Die Brennerbelastung bei konstanter Luftzahl ist in der Regel im wesentlichen proportional zu der dem Gasbrenner zugeführten Luftmenge pro Zeiteinheit.
Die Feuerungseinrichtung kann Mittel zum Vergleichen des der gemessenen Temperatur entsprechenden Werts mit einem aus der Kennlinie ermittelten Sollwert umfassen.
Die Einrichtung zum Messen eines von der erzeugten Temperatur abhängenden Werts kann angepasst sein, einen Wert zu messen, der einem Temperaturunterschied entspricht. Aus diesem Temperaturunterschied kann bei bekannter Referenztemperatur die absolute Temperatur bestimmt werden.
Der Wert entspricht insbesondere einem Temperaturunterschied zwischen einer im Bereich der Brennerflamme erzeugten Temperatur und einer Referenztemperatur, wobei die Referenztemperatur insbesondere der Temperatur der Luft oder des Luft-/Verbrennungsmedium-Gemisches vor Eintritt in den Bereich der Brennerflamme entspricht.
Die Einrichtung zum Messen eines Temperaturwerts umfasst bevorzugt einen Teil, der zumindest teilweise im Bereich der Reaktionszone der Brennerflamme angeordnet ist.
Für die Messung der Referenztemperatur kann ein Teil der Einrichtung zum Messen des Temperaturwerts außerhalb der Reaktionszone der Flamme, insbesondere im Bereich einer Eintrittszone für die der Feuerungseinrichtung zugeführte Luft und/oder für das der Feuerungseinrichtung zugeführte Luft-/Verbrennungsmedium-Gemisch, angeordnet sein.
Die Einrichtung zum Messen eines Temperaturwerts umfasst bevorzugt ein Thermoelement. Dabei ist eine Kontaktstelle der unterschiedlichen Schenkel des Thermoelements im Bereich der Reaktionszone der Brennerflamme angeordnet, die Referenzstelle außerhalb dieser Reaktionszone, um einen Temperaturunterschied zwischen der Flamme und einem davon thermisch entkoppelten Bereich, beispielsweise einem Umgebungsbereich des Gasbrenners, zu erfassen.
Der von der Einrichtung zum Messen eines Temperaturwerts gemessene Wert ist bevorzugt eine Thermospannung.
Die Mittel zur Regelung können angepasst sein, die Menge des der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Verbrennungsmediums zu erhöhen und/oder zu verringern.
Insbesondere umfasst die Feuerungseinrichtung ein Ventil, welches zur Erhöhung oder zur Verringerung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Gas betätigbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine Feuerungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Kennlinie, die bei der Durchführung des Verfahrens verwendet wird; und
3 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Regelung zur Durchführung des Verfahrens.
1 zeigt einen Gasbrenner, bei dem ein Gemisch aus Luft L und Gas G vorgemischt und verbrannt wird.
Der Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den Verbrennungsluft L angesaugt wird. Ein Massenstromsensor 2 misst den Massenstrom der von einem Gebläse 9 angesaugten Luft L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass in seiner Umgebung eine möglichst laminare Strömung erzeugt wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der Massenstromsensor in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung eines Laminarelements angeordnet werden.
Im Luftzufuhrabschnitt 1 kann auch ein Ventil 3 für die Verbrennungsluft angeordnet sein. Allerdings wird jedoch in der Regel ein geregeltes Gebläse mit Luftmassenstromsensor eingesetzt werden, so dass das Ventil entfallen kann.
Für die Gaszufuhr ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung angeschlossen ist. Das Gas strömt während des Betriebs des Gasbrenners durch den Abschnitt 4. Durch ein Ventil 6, das ein elektronisch gesteuertes Ventil sein kann, strömt das Gas durch eine Leitung 7 in den Mischungsbereich B. Im Mischungsbereich 8 findet eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator des Gebläses 9 wird mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft L als auch das Gas G anzusaugen.
Das Ventil 6 ist so eingestellt, dass bei Berücksichtigung der übrigen Betriebsparameter, beispielsweise der Drehzahl des Ventilators, ein vorgegebenes Luft-Gas-Verhältnis in den Mischbereich 8 gelangt. Das Luft-Gas-Verhältnis soll dabei so gewählt sein, dass eine möglichst saubere und effektive Verbrennung stattfindet.
Über eine Leitung 10 strömt das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13, die eine vorgegebene Wärmeleistung abgeben soll. Am Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung der nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Regelung bzw. zur Steuerung des Gasbrenners verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 an einer Oberfläche des Brennerteils 11 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich der Flamme 13 anzuordnen. Die Referenztemperatur des Thermoelements wird an einer Stelle außerhalb des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
Eine nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des Luft- und/oder Gasstroms erhält Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und von dem Massenstromsensor 2 und gibt Steuersignale an das Ventil 6 sowie an den Antrieb des Gebläses 9 ab. Die Öffnung des Ventils 6 und die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 werden so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der 2 beschrieben. In 2 ist eine Kennlinie dargestellt, bei der die Solltemperatur T_soll in Abhängigkeit von einem Massenstrom ṁ_L der Verbrennungsluft, die einem Gasbrenner zugeführt werden soll, aufgetragen ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist dabei dem Massenstrom der Verbrennungsluft bei konstanter Luftzahl eine Temperatur vorgegeben. Für andere Werte der Luftzahl λ würde sich eine andere Abhängigkeit der Solltemperatur T_soll vom Luftmassenstrom ṁ_L ergeben. Dem Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, dass die zu einem bestimmten Wert des Massenstromes der Verbrennungsluft für eine vorgegebene Luftzahl gehörende Solltemperatur T_soll nicht von der Gasart abhängt. Das Verfahren funktioniert somit gasartenunabhängig. Die Luftzahl λ ist so gewählt, dass eine möglichst hygienische und effiziente Verbrennung erreicht wird. Beispielsweise kann ein Wert λ = 1,3 vorgegeben werden. Bei der Durchführung des Verfahrens mit der festgelegten Luftzahl λ wird somit unabhängig von der Gasart und -qualität eine effektive Regelung erzielt.
Zur Verdeutlichung des Verfahrens wird von einer Änderung ausgehend von einem Betriebszustand 1 zu einem Betriebszustand 2 ausgegangen. Die Änderung des Betriebszustands erfordert einen Lastwechsel, beispielsweise eine geänderte Wärmeanforderung. Dem Betriebszustand 1 entspricht ein Luftmassenstrom ṁ_L1, dem Betriebszustand 2 ein Luftmassenstrom ṁ_L2. Die Brennerbelastung ist bei konstanter Luftzahl λ im wesentlichen proportional zu dem Massenströmen sowohl der Luft als auch des Brennstoffs.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird zunächst der neue Luftmassenstrom ṁ_L2, ausgehend von einer im Betriebszustand 2 gewünschten Brennerbelastung
eingestellt. Der Luftmassenstrom ṁ_L kann an einem Massenstromsensor 2 gemessen werden.
Die entsprechende Öffnung des Gasventils wird anhand der Sollkennlinie Gasventilöffnung über Massenstrom eingestellt Statt der Massenströme könnten auch Volumenströme mittels einer Blende mit einem Druckmesser oder andere Parameter, beispielsweise die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9, erfasst werden.
Nach der Einstellung des Luftmassenstroms ṁ_L2 und des Gasventils wird die am Temperatursensor 12 im Bereich der Brennerflamme 13 gemessene Ist-Temperatur T_ist mit der dem neu eingestellten Luftmassenstrom ṁ_L2 entsprechenden Solltemperatur T_soll2 gemäß der Kennlinie aus 2 verglichen.
Ergibt sich eine Abweichung zwischen Ist- und Sollwert, so wird nachgeregelt. Die Nachregelung erfolgt dabei durch eine Abmagerung bzw. Anfettung des Luft-Gasgemisches durch Betätigung des Gasventils 6. Das Gasventil 6 wird so lange nachgestellt, bis der Regelungsvorgang abgeschlossen ist, das heißt, bis sich eine der Solltemperatur T_soll2 entsprechende Ist-Temperatur T_ist eingestellt hat.
Statt absoluter Ist- und Solltemperaturen können auch Temperaturunterschiede ΔT_ist, ΔT_soll, wie sie beispielsweise von einem Thermoelement gemessen werden, verwendet werden. Statt der Solltemperatur T_soll kann entsprechend eine Thermospannung U_soll in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom ṁ_L aufgetragen werden. Die Referenztemperatur des Thermoelements 12 kann beispielsweise im Luftzuführungsabschnitt 1, in einem Brennerbereich außerhalb des Wirkungsbereichs der Brennerflamme 13 in der Umgebung des Brenners gemessen werden.
Die in 2 gezeigte Kennlinie ist empirisch oder rechnerisch darstellbar. Für eine schnelle Regelung wäre der Einsatz eines nahe bei der Flamme 13 angeordneten Sensors 12 mit geringer thermischer Trägheit vorteilhaft. Als besonders wirkungsvoll und stabil haben sich gemantelte Thermoelemente mit einer Mantelung aus Materialien, die für Oxidationsprozesse bei hohen Temperaturen geeignet sind, erwiesen. Zur Erhöhung der Lebensdauer des Temperatursensors 12 und zum Schutz vor Überlastung bietet es sich an, den Sensor in einem Bereich anzubringen, der eine gewisse Entfernung von der Flamme 13 aufweist. Die gemessenen Temperaturen T_ist bewegen sich, je nach Anbringungsort, Brennerbelastung Q ._soll und Luftzahl λ zwischen 100 und 1000°C.
Bei Gasheizgeräten mit geringen Modulationsgraden können Fehler, die auf Grund von Schwankungen der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks sowie des Gasdrucks zustande kommen und zu verändernden Verhältnissen zwischen Luftmassenstrom und Gasmassenstrom führen, bei der Durchführung des Verfahrens vernachlässigt werden. Hier kann die im Vergleich zur Massenstrommessung der Verbrennungsluft in der Regel kostengünstigere Volumenstrommessung angewandt werden.
In 3 ist schematisch und beispielhaft eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt.
Der gemessene Luftmassenstrom ṁ_L sowie die im Bereich der Brennerflamme gemessene Ist-Temperatur T_ist dienen der Steuerungseinrichtung als Eingangssignale. Wie aus der Darstellung der Kennlinie im Diagramm A hervorgeht, ist der Luftmassenstrom ṁ_L direkt proportional zur Belastung des Brenners Q .. Entsprechend der in Diagramm B dargestellten Kennlinie wird aus der ermittelten Belastung die Drehzahl n des Gebläses, die proportional zur Wärmeleistung ist, ausgelesen und entsprechend eingestellt.
Andererseits wird bei Laständerungen aus der Eingangsgröße Luftmassenstrom ṁ_L, wie im Diagramm C gezeigt, die Solltemperatur T_soll der Brennerflamme ermittelt. Für einen bestimmten Luftmassenstrom wird eine Solltemperatur vorgegeben. In einem Knotenpunkt D wird diese Solltemperatur T_soll mit der gemessenen Ist-Temperatur T_ist verglichen. Ergibt sich eine Temperaturdifferenz ΔT, so setzt ein Regelvorgang ein, der fortgesetzt wird, bis die Ist-Temperatur T_ist der Soll-Temperatur T_soll entspricht. Eine Annäherung der Ist-Temperatur T_ist an die Solltemperatur T_soll wird, wie schematisch durch das Diagramm E dargestellt, durch Betätigung des Schrittmotors eines Gasventils, welches die Brennstoffzufuhr ṁ_G bestimmt, verändert. Dadurch erfolgt ein Anfetten bzw. Abmagern des Brennstoff-Luftgemisches, was zu einer Erhöhung bzw. Senkung der vom Brenner erzeugten Temperatur führt.
Im Diagramm F ist die Öffnung des Gasventils in Form der Schritteinstellung des Schrittmotors des Gasventils in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom ṁ_L angegeben. Die Kennlinien (1) und (2) geben eine obere bzw. untere Grenzkurve an. Bei vorgegebenem Luftmassenstrom ṁ_L muss sich die Öffnung des Gasventils, während und nach den Steuerungs- und Regelungsvorgängen, stets in dem durch die Kurven (1) und (2) begrenzten Zielkorridor befinden. Bei Abweichungen nach oben oder nach unten kann eine entsprechende Maßnahme eingeleitet werden. Beispielsweise kann der Gasbrenner abgeschaltet werden, um Sicherheitsrisiken oder einen uneffektiven Betrieb auszuschließen. Es kann auch lediglich ein Warnhinweis erfolgen oder eine Neukalibrierung bestimmter Kennkurven durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Feuerungseinrichtung unter Berücksichtigung der Temperatur und/oder der Brennerbelastung, insbesondere bei einem Gasbrenner, umfassend: Regelung der von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur (T_ist) unter Verwendung einer Kennlinie, die einen einer Solltemperatur (T_soll) entsprechenden Wertebereich in Abhängigkeit von einem der Brennerbelastung (Q .) entsprechenden ersten Parameter (ṁ_L, V ._L) darstellt, wobei bei der Darstellung der Kennlinie ein zweiter Parameter, die Luftzahl (λ), definiert als das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für optimale stöchiometrische Verbrennung erforderliche Luftmenge; konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Parameter einer der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zuzuführenden Luftmenge (ṁ_L, V ._L) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Parameter einem Massenstrom (ṁ_L) oder Volumenstrom (V ._L) der der Feuerungseinrichtung zuzuführenden Luft entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerbelastung (Q .) im wesentlichen proportional zu der der Feuerungseinrichtung zugeführten Luftmenge pro Zeiteinheit (ṁ_L, V ._L) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Vergleich des gemessenen von der Temperatur (T_ist) ab hängigen Werts mit einem aus der Kennlinie ermittelten und der Solltemperatur (T_soll) entsprechenden Sollwert umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Solltemperatur (T_soll) entsprechende Wert in Abhängigkeit vom ersten Parameter (ṁ_L, V ._L) aus der Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Wert und/oder der Wertebereich der Kennlinie einem Temperaturunterschied (ΔT_ist, ΔT_soll) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturunterschied (ΔT_ist) ein Temperaturunterschied zwischen einer im Bereich der Brennerflamme erzeugten Temperatur (T_ist) und einer Referenztemperatur (T_ref) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenztemperatur (T_ref) der Temperatur der Luft oder des Luft-/Verbrennungsmedium-Gemisches vor Eintritt in den Bereich der Brennerflamme entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eine Erhöhung oder Verminderung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Verbrennungsmedium (ṁ_G, V ._G) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung oder Verminderung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Verbrennungsmedium (ṁ_G, V ._G) durch Betätigung eines Ventils durchgeführt wird.
Feuerungseinrichtung, insbesondere Gasbrenner, umfassend: eine Einrichtung (12) zum Messen eines Werts, der von einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur (T_ist) abhängt; Mittel zur Regelung der von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur (T_ist) unter Vorgabe eines ersten Parameters, der einer bestimmten Brennerbelastung (Q_soll) entspricht und unter Verwendung einer Kennlinie, die einen einer Solltemperatur (T_soll) entsprechenden Wertebereich in Abhängigkeit von einem der Brennerbelastung (Q .) entsprechenden ersten Parameter (ṁ_L, V ._L) darstellt, wobei bei der Darstellung der Kennlinie ein zweiter Parameter, die Luftzahl (λ), definiert als das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für optimale stöchiometrische Verbrennung erforderliche Luftmenge, konstant ist.
Feuerungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Parameter einer der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zuzuführenden Luftmenge, insbesondere einem Massenstrom (ṁ_L) oder Volumenstrom (V ._L) der Luft, entspricht.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung eine Messeinrichtung (2, 5) zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Luft und/oder an Brennstoffmedium und/oder an einer Mischung aus Luft und Brennstoffmedium, insbesondere zur Messung eines Massenstroms (ṁ_L, ṁ_G, ṁ_M) oder Volumenstroms (V ._L, V ._G, V ._M), aufweist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung Mittel zum Vergleichen des gemessenen von der Temperatur (T_ist) abhängigen Werts mit einem aus der Kennlinie ermittelten und der Solltemperatur (T_soll) entsprechenden Sollwert umfasst.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtung zum Messen eines von der erzeugten Temperatur abhängenden Werts angepasst ist, einen Wert zu messen, der einem Temperaturunterschied (ΔT_ist) entspricht.
Feuerungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert einem Temperaturunterschied zwischen einer im Bereich der Brennerflamme erzeugten Temperatur (T_ist) und einer Referenztemperatur (T_ref) entspricht, wobei die Referenztemperatur insbesondere die Temperatur der Luft oder des Luft-/Verbrennungsmedium-Gemisches vor Eintritt in den Bereich der Brennerflamme (13) ist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Messen eines Temperaturwerts (12) einen Teil umfasst, der zumindest teilweise im Bereich der Reaktionszone der Brennerflamme (13) angeordnet ist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der Referenztemperatur (Tref) ein Teil der Einrichtung zum Messen des Temperaturwerts (12) außerhalb der Reaktionszone der Flamme (13), insbesondere im Bereich einer Eingangszone für die der Feuerungseinrichtung zugeführte Luft und/oder das Luft-Verbrennungsmedium-Gemisch, angeordnet ist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Messen eines Temperaturwerts (12) ein Thermoelementumfasst.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Einrichtung zum Messen eines Temperaturwerts (12) gemessene Wert eine Thermospannung ist.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung angepasst sind, die Menge des der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Verbrennungsmediums (m_G, V_G) zu erhöhen und/oder zu verringern.
Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung ein Ventil (6) umfasst, welches zur Erhöhung oder zur Verringerung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Verbrennungsmedium (ṁ_G, V ._G) betätigbar ist.