[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
[0002] Solche Regeleinrichtungen sind bekanntgeworden und benutzen als Meßgröße entweder
die Restkonzentration des Sauerstoffs im Abgas oder den C0
2-Gehalt dieses Abgases. Die genannten Regeleinrichtungen benötigen aufgrund der Tatsache,
daß eine hier wie auch immer geartete kontinuierlich arbeitende quantitative Gasanalyse
vorgenommen werden muß, einen hohen meßtechnischen Aufwand. Diese hohen Kosten der
Sauerstoff- beziehungsweise Kohlendioxydanalyse rechtfertigen den Einsatz dieser Meß-
und Regelmethoden bislang nur im industriellen Großofenbau.
[0003] Die vorliegende Erfindung bezweckt den Aufbau einer Verhältnisregelung für das Luftbrennstoffverhältnis
einer Kleinwärmequelle etwa im Bereich zwischen 5 und 30 kW. Bei einer solchen kleinen
Wärmequelle darf der Preis für die Regeleinrichtung einen gewissen kleinen Prozentsatz
in Relation zu dem Gesamtgerätepreis nicht übersteigen, da sonst die Regeleinrichtung
vom Betreiber der Wärmequelle nicht akzeptiert wird.
[0004] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es einen Zusammenhang zwischen der
Luftzahl und der Taupunkttemperatur im Abgas gibt. In weiterer erfindungsgemäßer Erkenntnis
kann man nun die Temperatur im Abgas durch Verändern der Luftzahl soweit erniedrigen,
bis die Taupunkttemperatur gerade noch nicht unterschritten wird. Damit besteht die
erfindungsgemäße Lösung in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
[0005] Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren eins bis drei
näher erläutert.
[0006] Es zeigen
Figur eins eine Prinzipdarstellung eines Kessels mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,
Figur zwei einen Umlaufwasserheizer mit der Regeleinrichtung und
Figur drei den schematischen Aufbau des Istwertgebers.
In allen drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
[0007] Innerhalb eines Aufstellungsraums 1, der durch Wände 2 eines Gebäudes begrenzt ist,
ist ein Kessel 3 aufgestellt. Bei diesem Kessel kann es sich um einen Gußkessel sowie
auch um einen geschweißten Stahlkessel handeln, der von einem Brenner 4 beheizt ist.
Bei diesem Brenner kann es sich um einen öl- oder Gasbrenner handeln, weiterhin ist
die Ausbildung des Gasbrenners sowohl als Gebläsebrenner wie auch als atmosphärischer
Gasbrenner möglich. Der Kessel ist über ein Abgasrohr 5 mit der Atmosphäre 6 verbunden,
deren Temperatur einem Außentemperaturfühler 7 ausgesetzt ist, der über eine Meßleitung
8 mit einem Regler 9 verbunden ist. Mit dem Regler ist über eine Leitung 10 ein Taupunkttemperaturfühler
11 als weiterer Istwertgeber verbunden, der im Abgasrohr 5 stromab des eigentlichen
Kesselwärmetauschers angeordnet ist.
[0008] Der Kessel ist über eine Vorlaufleitung 12 und eine Rücklaufleitung 13 mit einem
4-Wege-Mischventil 14 verbunden, von dem eine Heizkreis-Vorlaufleitung 15 und eine
Heizkreis-Rücklaufleitung 16 abgehen, die ihrerseits über eine Vielzahl von Radiatoren
einer Heizungsanlage unter Zwischenschaltung einer Pumpe miteinander verbunden sind.
Die Temperatur der Heizkörpervorlaufleitung 15 wird durch einen Temperaturfühler 17
abgefühlt, der über eine Meßleitung 18 mit dem Regler 9 verbunden ist. Ober eine Stellleitung
19 ist ein Stellmotor des Mischers 14 mit dem Regler 9 verbunden.
[0009] Ober eine weitere Stelleitung 20 ist ein stufenlos verstellbares Gasventil 21 mit
dem Regler 9 verbunden, das im Zuge einer Gaszuleitung 22 angeordnet ist und den Brenner
mit Gas speist. Bei diesem stufenlos verstellbaren Gasventil kann es sich um eine
an sich bekannte, pneumatisch arbeitende, stetig verstellbare Gasarmatur bekannter
Bauart handeln. Bei Verwendung eines ölbrenners ist statt des Gasventils 21 eine vertellbare
ölförderpumpe oder ein stetig variierbares Magnetventil vorgesehen. Der Brenner ist
im Ausführungsbeispiel nach Figur eins als Gebläsebrenner ausgebildet, der Luftzutritt
zum Brenner ist über eine Drosselblende 23 verstellbar, die einen nicht weiter dargestellten
Stellmotor besitzt, der über eine Stelleitung 24 von dem Regler 9 beaufschlagt ist.
[0010] Die nach Figur eins beschriebene Regeleinrichtung besitzt folgende Funktion:
Ausgehend von der Außentemperatur oder einer anderen die Belastung vorgebenden Größe
wird ein bestimmter Gasdurchsatz durch den Brenner vorgegeben.
[0011] Nach Maßgabe der Vorlauftemperatur wird dem Regler 9 eine bestimmte Führungsgröße
als Last vorgegeben, die bei bekannter Gasart nur mit einem bestimmten Gasdurchsatz
in der Zeiteinheit erreichbar ist. Auf diesem Gasdurchsatz wird das Gasventil 21 voreingestellt.
Der Brenner 4 wird gezündet, und über die Stelleitung 24 resultiert eine bestimmte
Stellung der Drosselblende 23, die zu einem bestimmten, hierzu passenden Luftdurchsatz
führt. Die heißen Abgase des Brenners beaufschlagen den Kesselwärmetauscher im Innern
des Kessels 3 und gelangen als abgekühltes Abgas in das Abgasrohr 5. Hier wird der
Taupunkttemperaturfühler 11 beaufschlagt, der auf seiner Leitung 10 ein bestimmtes
Temperaturmeßsignal als Istwert auf den Regler 9 schaltet. Ist die Taupunkttemperatur
bereits im Abgasrohr unterschritten, so bedeutet dies, daß der Luftüberschuß zu klein
ist. Demgemäß resultiert über den Regler 9 ein Befehl zur Vergrößerung des Luftdurchsatzes
durch Variation der Stellung der Drosselblende 23. Diese Stellbewegung wird so lange
fortgesetzt, bis keine Taupunktunterschreitung mehr stattfindet. Für den Fall, daß
eine Taupunktunterschreitung nicht vorliegt, versucht der Regler 9, durch Verkleinern
des Luftdurchsatzes die optimale Luftzahl zu erreichen, die bei einem Gebläsebrenner
etwa bei = 1,1 bis 1,2 liegt. Dieser Wert wird erreicht, wenn die Taupunkttemperatur
gerade nicht erreicht wird. Der Regler ist so justiert, daß er durch Vergrößern der
Luftbeimischung die Temperatur der Abgase im Abgasrohr 5 so weit zu senken versucht,
daß gerade nicht ein feuchter Niederschlag durch Unterschreiten der Taupunkttemperatur
auftritt. Diese Wirkungsweise der Brennstoff-Luftverhältnisregelung ist unabhängig
von der Belastung des Kessels, also dem gerade notwendigen Gasdurchsatz. Bei Variation
des Brenngases (Obergang von Erdgas auf Stadtgas oder Flüssiggas) ergeben sich zwar
andere Werte für die Abhängigkeit der Taupunkttemperatur von der Luftzahl, nur können
diese Werte am Regler justiert werden, so daß der Regler auch für alle Gasarten anpaßbar
ist. Unabhängig von dieser Brennstoff-Luftverhältnisregelung findet noch eine Vorlauftemperaturregelung
statt, indem die Temperatur vom Fühler 17 auf den Regler 9 gemeldet und zum Ausgleich
einer etwaigen Regelabweichung der Vorlauftemperatur des Mischventils 14 nachgestellt
wird. Ebensogut könnte hier statt einer Vorlauftemperaturregelung auch eine Rücklauftemperaturregelung
stattfinden, es wäre auch möglich, das Mischventil entfallen zu lassen und die Leitungen
12 und 15 beziehungsweise 16 und 13 unmittelbar miteinander zu verbinden und mit einer
reinen Brennersteuerung zu arbeiten. Die Verhältnisregelung Luft/Brennstoff bleibt
hiervon unberührt.
[0012] Figur drei zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Verhältnisregelung auf einen
Umlaufwasserheizer. Dieser Umlaufwasserheizer 30 ist über die Vorlaufleitung 12 an
die Radiatoren 34 angeschlossen, die ihrerseits über eine Pumpe 35 mit der Rücklaufleitung
13 verbunden sind. Der Wärmetauscher 36 ist im Gehäuse des Umlaufwasserheizers integriert.
Statt eines Umlaufwasserheizers könnte es sich genausogut um einen reinen Brauchwasserbereiter
handeln oder um einen Speicher. Wesentlich ist, daß hier ein atmosphärischer Brenner
4 benutzt ist, der über die Gasleitung 22 über eine Gasarmatur 21 gespeist ist, die
über einen Stellmotor 37 mit dem Regler 9 verbunden ist. Ober den Stellmotor 37 kann
das Gasventil 21 stetig proportional verstellt werden. Der Regler 9 ist mit dem Taupunkttemperaturfühler
11 über die Leitung 10 verbunden, gleichermaßen über die Leitung 8 mit dem Außentemperaturfühler
7. Es besteht die Möglichkeit, den Brenner 4 als Vormischbrenner auszugestalten, der
Umlaufwasserheizer 30 ist mit einer Sekundär-Luftzufuhröffnung 38 verbunden, die als
zylindrischer Kanal ausgebildet ist und mit einer Klappe 32 mehr oder weniger verschließbar
ist. Die Klappe ist über eine Welle 33 mit einem Stellmotor 31 verbunden, der über
die Stelleitung 24 vom Regler 9 beaufschlagt wird. Diese Regeleinrichtung arbeitet
analog zu der nach Figur eins, ausgehend von der Außentemperatur oder einer anderen
die Belastung vorgebenden Größe wird ein bestimmter Gasdurchsatz durch den Brenner
4 vorgegeben. Zu diesem Gasdurchsatz gehört eine bestimmte Luftzufuhrmenge in der
Zeiteinheit, die durch mehr oder weniger großes Verstellen der Sekundär-Lufteinlaßöffnung
38 eingestellt werden kann. Die Einstellung der Sekundär-Luftzufuhr beziehungsweise
auch der Primär-Luftzufuhr geschieht somit durch ein Verstellen der Welle 33 über
den Stellmotor 31. Das vom Brenner 4 erzeugte Abgas wird im Wärmetauscher 36 abgekühlt
und gelangt anschließend ins Abgasrohr 5. Hier wird vom Meßfühler 11 erfaßt, ob die
Taupunkttemperatur. über- oder unterschritten ist. Im Falle der Unterschreitung der
Taupunkttemperatur wird der Luftdurchsatz erhöht bis die Taupunkttemperatur überschritten
ist, im Falle der vorliegenden Taupunkttemperatur-Oberschreitung wird die Luftzufuhr
verringert, bis die Taupunkttemperatur gerade erreicht ist.
[0013] Aus der Figur drei geht der Aufbau des Meßfühlers beziehungsweise Istwertgebers 11
hervor. Bei diesem Istwertgeber 11 handelt es sich um ein doppeltes Peltierelement,
dessen einer Teil 40 in das eigentliche Fühlerelement 41 integriert ist, während das
andere Fühlerelement 42 im Abstand außerhalb des Abgasrohres 5 angeordnet ist. Beide
Peltierelemente sind über je eine Leitung 43 und 44 miteinander verbunden, wobei in
der Leitung 44 eine Gleichspannungsquelle 45 angeordnet ist. Diese kann aus einer
Batterie oder einem Netzteil bestehen. Die Gleichspannung kann auch von einem Elektronikteil
46 geliefert werden, das mit zwei Ausgangsleitungen 47 und 48 mit den beiden Anschlüssen
der Leitung 44 verbunden ist. Von dem Elektronikteil 46 kann die Gleichspannung, die
auf die Leitungen 47 und 48 gegeben wird, periodisch umgeschaltet werden. Auf die
Oberfläche des Fühlers 41 sind Widerstandsbahnen 49 aufgebracht, die ihren Widerstand
ändern, sowie sich auf der Oberfläche Feuchte niederschlägt.
[0014] Die Peltierelemente bestehen aus Metallelementkombinationen, die, wenn man an sie
eine Gleichspannung anlegt, unterschiedliche Temperaturniveaus annehmen. Bei Umpolung
der Gleichspannung vertauschen die Kontaktstellen der Peltierelemente ihre Temperaturen.
Bringt man nunmehr die kalte Seite eines Peltierelements in ein Abgasgemisch einer
brennstoffbeheizten Wärmequelle, so wird bei Erreichen der Taupunkttemperatur des
Wasserdampfes Wasser als Kondensat ausfallen, wenn die Taupunkttemperatur unterschritten
wird. Das Vorhandensein niedergeschlagenen Wassers als Kondensat kann dann durch die
Widerstandsmessung der einzelnen Widerstandselemente 49 festgestellt werden. Die Widerstände
sind hierzu über Leitungen 50 mit dem Elektronikteil 46 verbunden. Durch das leitende
Kondenswasser ergibt sich im Bereich der Widerstände eine große Widerstandswertabnahme.
In diesem Augenblick kann mit Hilfe eines NTC-Fühlers oder Thermoelements die Messung
der Oberflächentemperatur des Fühlers erfolgen. Hierzu ist ein Temperaturfühler 51
vorgesehen, der über die Leitung 10 mit dem Regler 9 verbunden ist. Nach erfolgter
Registrierung der Taupunkttemperatur wird die Gleichspannung auf den Leitungen 47
und 48 umgepolt. Damit erwärmt sich die kalte Meßstelle des Peltierelements, und das
Kondensat verdampft. Nach diesem Vorgang erfolgt eine erneute Umpolung, wobei die
Taupunkttemperatur an der Meßstelle im Abgasrohr wieder unterschritten wird. Im Moment
des Feuchteniederschlags aufgrund des kondensierenden Abgases wird über den Temperaturfühler
51 wieder die Temperatur gemessen und auf den Regler 9 gegeben. Die zeitliche Folge
der Messung ist von der thermischen Trägheit der Meßzelle und der Thermokraft des
Peltierelements abhängig. Durch einen geeigneten Aufbau des Meßfühlers 41 wäre auch
eine kontinuierliche Messung der Taupunkttemperatur möglich.
Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer Wärmequelle mit einem eine
Meßgröße aufweisenden Istwertgeber, dem Regler sowie einem die Luftzufuhr beeinflussenden
Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße die Temperatur der Abgase mit
der Maßgabe ist, daß die Taupunkttemperatur nicht unterschritten wird.
Regeleinrichtung nach Anspruch eins, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße die
Taupunkttemperatur ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch eins oder zwei, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwertgeber
(11) als Feuchtefühler (41) ausgebildet ist. Regeleinrichtung nach Anspruch eins oder
zwei, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwertgeber als Peltierelement (40, 42) ausgebildet
ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch vier, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Peltierelemente
(40, 42) vorgesehen sind, von denen eines im Abgasstrom angeordnet ist.
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche eins bis fünf, dadurch gekennzeichnet, daß
eine polumschaltbare Spannungsquelle (46) vorgesehen ist, die die beiden Peltierelemente
mit einer umpolbaren Gleichspannung periodisch beaufschlagt.
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche eins bis sechs, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Oberfläche des Meßfühlers (41) ein Temperaturfühler (51) angeordnet ist,
mit dem im Augenblick der Abgaskondensation die Abgastemperatur gemessen ist.