Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Auswirkung von Störgrössen auf die Verbrennung bei Gebläsebrenneranlagen, bei denen ein Brennstoff- und/oder Luftstrom entsprechend einem erwünschten Lastgrad eingestellt werden, eine Gebläsebrenneranlage mit einem Gebläsebrenner mit Luftzuführung und Brennstoffrückführung sowie eine Verwendung des Verfahrens.

Es ist bei Gebläsebrenneranlagen bekannt, den Luftmassestrom und den Brennstoffmassestrom, beispielsweise mittels einer Verbundsteuerung oder -regelung dem erwünschten Lastgrad entsprechend einzustellen. Um dabei bei allen Lastgraden eine mindestens genähert optimale Verbrennung sicherzustellen, insbesondere weitgehend unabhängig von der Beeinflussung durch Störgrössen, wird üblicherweise der Sauerstoffgehalt im Rauchgas als Regelgrösse gemessen und ein Regelkreis vorgesehen, der durch Stellen von Luft- und/oder Brennstoffzufuhr den O₂-Gehalt im Rauchgas auf einem Führungswert hält. Derartige Regelungen sind technisch aufwendig, insbesondere bedingt durch die vorzusehende O₂-Messonde und den Regler. Es ergeben sich weiter zu lösende Stabilitätsprobleme, insbesondere in Anbetracht der regelungstechnisch schwierigen Regelstrecke, nämlich des Feuerraumes und der Rauchgaszüge bis zur Stelle der Sauerstoffkonzentrationsmessung. Derartige Stabilitätsprobleme sind durchaus lösbar, allerdings auch mit entsprechendem technischen Aufwand. Ein derartiges Vorgehen zur Optimierung der Verbrennung durch regelungstechnische Massnahmen ist beispielsweise aus der EP-A1-0086337 bekannt. Ebenfalls ist aus der GB-A-2 190 515 bekannt, die Brennertemperatur durch eine Vielzahl von Messonden mittels einer Regelung konstant zu halten.

Aus der Patentschrift US-A-4,613,072 ist ein Brenner bekannt, bei welchem unter anderen die Temperatur und der Luftdruck als Messgrössen erfasst werden und mittels einer elektronischen Regelung die Luftzufuhr zum Brenner beeinflusst wird, um konstante Verbrennungsbedingungen einzuhalten. Auf dem gleichen Prinzip basiert das Brennersystem aus der Patentschrift US-A-4,583,936. Diesen Anlagen ist gemeinsam, dass neben anderen Messgrössen mindestens die Temperatur und der Luftdruck mit separaten Sonden gemessen werden und danach diese beiden Messwerte, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Messwerten, in der Regelung geeignet ausgewertet werden müssen, um ein Steuersignal für die Brennersteuerung bereitszustellen.

In vielen Fällen, so insbesondere bei Kleinbrenneranlagen, wie Haushaltbrenneranlagen, ist der für diese Regelungen zu betreibende Aufwand des öfteren wesentlich zu hoch. Andererseits trägt die Gesamtheit dieser Kleinanlagen gerade massgeblich zur Luftverunreinigung bei.

Es setzt sich deshalb die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren obengenannter Gattung zu schaffen, wei welchem die genannten Nachteile der Verbrennungsregelung nicht auftreten und trotzdem eine gute Verbrennung sichergestellt ist.

Dies wird erfindungsgemäss durch die Massnahme gemäss Wortlaut des Anspruches 1 gelöst.

Es ergibt sich aus diesem höchst einfachen Vorgehen die Möglichkeit, kostengünstig, d.h. mit relativ bescheidenem Aufwand, die Verbrennung bei Gebläsebrenneranlagen wesentlich zu verbessern, was ihre Störgrössenabhängikeit anbelangt, wobei, aufgrund des Vermeidens eines Regelkreises, auch die erwähnten Stabilitätsprobleme entfallen. Dabei wird der technische Aufwand derart abgesenkt, dass nun eine drastische Verbrennungsverbesserung auch bei Kleinbrennern rentabel wird. Durch die gezielte Auswahl der Hauptstörgrössen, nämlich des Umgebungsluftdruckes und der Umgebungslufttemperatur, ergeben sich nur geringste Messaufwendungen.

Einerseits können diese Hauptstörgrössen erfindungsgemäss direkt gemessen werden oder es ergibt sich alternativ die vereinfachende Möglichkeit, mit einer einzigen Messung der Dichteänderung die Luftmassestromänderung zu erfassen.

Zwischen der relativen Aenderung der Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck und Druck im Messgas besteht die einfache Relation :$$\frac{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{a}}}\text{-}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{v}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{ao}}}}\text{≈}\frac{\text{Δ}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{ao}}}}\text{-}\frac{{\text{Δϑ}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\mathit{\text{T}}}_{\mathit{\text{o}}}}\text{=}\frac{{\text{Δρ}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\text{ρ}}_{\mathit{\text{oa}}}}$$
worin bedeuten:
$$\frac{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{a}}}\text{-}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{v}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{ao}}}}$$  gemessene Aenderung der Druckdifferenz zwischen den Gasen bezüglich eines Druckes bei Bezugsverhältnissen,
$$\frac{\text{Δ}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{ao}}}}$$  Aenderung des Druckes im Gas bezüglich des Druckes bei den Bezugsverhältnissen,
$$\frac{{\text{Δϑ}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\mathit{\text{T}}}_{\mathit{\text{o}}}}$$  Aenderung der Gastemperatur bezüglich der Temperatur bei Bezugsverhältnissen.

Zu Beginn des bevorzugten Verfahrens nach Anspruch 2 wird zwischen Messgas und Gas Druckausgleich erstellt und damit die Druckbezugsgrösse festgelegt. Die gemessene relative Aenderung der Druckdifferenz ist gleich der relativen Dichteänderung im Gas und ist, bei wenigstens nahezu konstantem Gasvolumenstrom, wenigstens nahezu gleich der relativen Gasmassestromänderung.

Soll dabei der Brennstoffmassestrom durch Eingriff auf den Brennstoffdruck zur Störgrösseneinflusskompensation verstellt werden, so wird bevorzugterweise nach dem Wortlaut von Anspruch 3 vorgegangen.

Eine erfindungsgemässe Gebläsebrenneranlage zeichnet sich nach dem Wortlaut von Anspruch 4 aus. Bevorzugte Ausführungsformen der Gebläsebrenneranlagen sind in den Ansprüchen 5 bis 6 spezifiziert.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere für die Verwendung von Gebläsebrennern, die in diskreten Laststufen betrieben werden, insbesondere für ein- oder zweistufige Gebläsebrenner.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1

ein verfahrenstechnisches Schema einer Gebläsebrenneranlage mit Störgrössenkompensation,

Fig. 2

ein verfahrenstechnisches Schema des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemässen Anlage,

Fig. 3

ein Signalflussdiagramm der Störgrössenkompensation, wie sie bei der Anlage gemäss Fig. 2 vorgesehen ist,

Fig. 4

schematisch eine Messanordnung für die relative Dichteänderung eines Gases in Funktion seines Druckes und seiner Temperatur, bzw. der relativen Gasmassestromänderung bei konstantem Gasvolumenstrom,

Fig. 5

schematisch eine weitere bevorzugte Ausbildungsvariante eines Ausschnitts einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitenden, erfindungsgemässen Gebläsebrenneranlage.

In Fig. 1 ist schematisch ein Brenner 1 für die Verbrennung von Brennstoff mit praktisch konstantem Heizwert, wie von Heizöl EL, Erdgas etc. dargestellt. Dem Brenner 1 wird der Brennstoffstrom B* über eine Leitung 3 mit Stellglied 5 zugeführt und, analog, über eine Leitung 7 der Luftstrom L*, seinerseits gestellt durch ein Stellglied 9. Die beiden Stellglieder 5 und 9 werden durch Stellmotoren 11 und 13 angetrieben. Ein Funktionswandler 15, wie eine Kurvenscheibe oder ein elektronischer Funktionsgenerator, führt in Abhängigkeit eines Steuersignals, entsprechend dem erwünschten Lastgrad β, das Verhältnis zwischen Brennstoff- und Luftstrom.

Eine derartige Verbundsteuerung, bei der zusätzlich der Brennstoffdruck geregelt sein kann, ist in vielen Ausführungsvarianten bekannt.

Gemäss gestrichelter Umrandung werden nun erfindungsgemäss Störgrössen z, wie Brennstoffdruck, spezifischer Luftbedarf, Lufttemperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, Verhältnisse am Kaminzug, mit einer Sensoranordnung 17 gemessen und, nach entsprechender Wandlung in elektrische Signale, an einer Kompensatoranordnung 19 miteinander verrechnet. Ausgangsseits der in Fig. 1 dargestellten Kompensatoranordnung 19 werden Kompensationssignale s_B und s_L erzeugt, welche je einer Ueberlagerungseinheit 21 bzw. 23 im Brennstoffstrom- und/oder Luftstoffstromstellpfad zugeführt werden. Damit wird der Einfluss der gemessenen Störgrössen z durch Eingriff auf den Brennstoffstrom- und/oder Luftstrom kompensiert.

Wird der Einfluss der verschiedenen, beispielsweise genannten Störgrössen z auf die Verbrennungsverhältnisse, d.h. auf den Luftfaktor λ im Rauchgas untersucht, so zeigt sich, dass vor allem bei Stufenbrennern der überwiegende Anteil des Gesamteinflusses auf Aenderungen des Luftdruckes und der Lufttemperatur der Verbrennungsluft beruhen: z.B. bei Einstufenbrennern stammen über 90% aller Störwirkungen von Luftdruck- und Lufttemperaturänderungen. Dies, weil die übrigen Störgrössen auf die Verbrennung einen nur kleinen Einfluss nehmen oder weil sie mit Luftdruck und/oder Lufttemperatur korreliert sind.

Es ergibt sich, mindestens in erster Näherung, unter Berücksichtigung der Gasgleichung und für einen wenigstens nahezu konstant betrachteten Luftvolumenstrom, was während Betriebsphasen mit konstanter Last β erfüllt ist, zwischen relativer Luftmassestromänderung, relativer Luftdruck- und Lufttemperaturänderung, die folgende Beziehung:
Dabei bezeichnen:
$$\frac{\text{Δ}\mathit{\text{L}}\text{*}}{{\mathit{\text{L}}}_{\mathit{\text{o}}}\text{*}}$$  : die Luftmassestromänderung, bezogen auf einen Luftmassestrom bei Bezugsverhältnissen und mindestens nahezu konstantem Luftvolumenstrom,
z  : störgrössenbedingt,
$$\frac{\text{Δ}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{L}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{Lo}}}}$$  : die Luftdruckänderung in der dem Brenner zugeführten Luft, bezogen auf deren Druck bei den Bezugsverhältnissen,
$$\frac{{\text{Δϑ}}_{\mathit{\text{L}}}}{{\mathit{\text{T}}}_{\mathit{\text{Lo}}}}$$  : die Aenderung der Temperatur in der dem Brenner zugeführten Luft, bezogen auf einen absoluten Temperaturwert (K), entsprechend der Verbrennungslufttemperatur bei den Bezugsverhältnissen.

Es ist ersichtlich, dass die relative Aenderung des Luftmassestromes bei wenigstens nahezu konstantem Luftvolumenstrom wenigstens nahezu gleich der Differenz der relativen Aenderung des Luftdruckes und der relativen Aenderung der Lufttemperatur ist, beides der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft. Es kann nun weiter gezeigt werden, dass die relative Aenderung$$\frac{\text{Δλ}}{\text{λo}}$$ des Luftfaktors λ gleich der erwähnten relativen Aenderung des Luftmassestromes in (1) ist, bzw. dass die bezogene Aenderung des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas in erster Näherung proportional zur genannten relativen Aenderung des Luftmassestromes L* ist.

Der Einfluss der genannten Hauptstörgrössen - Luftdruck und Lufttemperatur - wird nun erfindungsgemäss durch die Kompensationssteuerung wieder aufgehoben, bei Eingriff auf den Luftmassestrom mindestens in erster Näherung unter Einhaltung von
worin bedeutet:

komp

: Kompensationseingriff,

Soll dabei auf den Brennstoffdruck, insbesondere auf den Sollwert einer vorgesehenen Brennstoffdruckregelung eingegriffen werden, so wird dies, mindestens in erster Näherung, nach
vorgenommen, worin bedeutet:
$$\frac{\text{Δ}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{B}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{Bo}}}}$$  die Aenderung des Brennstoffdruckes bezüglich des Brennstoffdruckes bei den obgenannten Bezugsverhältnissen.

In Fig. 2 ist, mit diesen Erkenntnissen, schematisch eine erfindungsgemässe Gebläsebrenneranlage, die eine Kompensationsanordnung aufweist, dargestellt, um den Einfluss der genannten Hauptstörgrössen zu kompensieren. Hierzu wird im Luftstrom L* des wie bereits anhand von Fig. 1 grundsätzlich aufgebauten und gespiesenen Brenners, die Lufttemperatur ϑ_L und der statische Luftdruck p_L gemessen. Nach entsprechender Wandlung der erfassten Messgrössen ϑ_L und p_L in elektrische Signale werden letztere einem Kompensator 25 zugeführt. Dem gemäss (1) als Ueberlagerungseinheit wirkenden Kompensator 25 werden im weiteren einstellbare Konstanten K_p und K_ϑ zugeführt, entsprechend den Normierungsgrössen$$\frac{\text{1}}{{\text{p}}_{\text{Lo}}}$$ und$$\frac{\text{1}}{{\text{T}}_{\text{Lo}}}$$ aus (1). Das Druckmesswertsignal wird am Kompensator 25 erst mit dem Normierungsfaktor K_p gewichtet und analog das Temperaturmesswertsignal mit dem Gewichtungsfaktor K_ϑ. Durch Differenzbildung wird darnach im Kompensator 25 der in (1) rechts ausgeführte Ausdruck elektrisch analog gebildet.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante wird nun das Ausgangssignal des Kompensators 25, wie erwähnt, dem Resultat von (1) entsprechend, gemäss (2) invertiert und an einer Ueberlagerungseinheit 27, im Steuerpfad für den Luftstrom L*,dem lastgradabhängigen Stellsignal überlagert. Wird vorgezogen, auf den Stellsignalpfad für den Brennstoffstrom B* einzugreifen, so erfolgt dies, in Analogie, gemäss (3) an einer Ueberlagerungseinheit im Brennstoffstromstellsignalpfad. Bei Eingriff auf den Brennstoffdruck, beispielsweise die Führungsgrösse am Brennstoffdruckregler, erfolgt die Ueberlagerung gemäss (4) am Brennstoffdruckstell- bzw. -führungssignal.

Zur Einstellung der Gewichtungsfaktoren, K_p und K_ϑ von Fig. 2, werden elektrische Bezugssignale, z.B. nach optimaler Einstellung der Verbrennung, beispielsweise beim Einfahren der Anlage, entsprechend den dann vorherrschenden Druck- und Temperaturwerten als p_Lo und T_Lo eingestellt.

In Fig. 3 ist, detaillierter, der prinzipielle Aufbau des Kompensators 25 für einen Eingriff am Luftmassestrom L* dargestellt. Als Wandler 28 bzw. 29 für die Grösse ϑ_L und p_L können herkömmliche Sensoren mit elektrischen Ausgangssignalen, wie Thermoelemente, Widerstandsthermometer sowie Drucksensoren, eingesetzt werden.

Es stellt sich nun die weitere Aufgabe, auf möglichst einfache Art und Weise die relative Aenderung des Luftmassestromes in Funktion der relativen Aenderung des Luftdruckes und der Lufttemperatur zu ermitteln.

Gemäss Fig. 2 kann dies durch Einzelerfassung von Luftdruck und-Temperatur, entsprechende Gewichtung und Verrechnung nach (1) vorgenommen werden.

Im folgenden wird nun aber weiter ein höchst einfaches Verbundmessverfahren bzw. eine entsprechende Anordnung beschrieben, dessen Resultat bzw. Ausgangssignal direkt dem zu ermittelnden Wert der relativen Luftmassestromänderung entspricht, wie erwähnt unter Voraussetzung konstanten Luftvolumenstromes, worauf sich die erwähnte Grösse aus der eigentlich ermittelten, relativen Luftdichteänderung ergibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass an einem starren, abgeschlossenen, mit Gas gefüllten Behältnis, das mit einem umgebenden Gas in Temperaturausgleich steht, die relative Aenderung des Differenzdruckes zwischen Gefässaussen- und -innendruck gleich der relativen Dichteänderung des Aussengases und, bei konstantem Gasvolumenstrom, gleich der relativen Luftmassestromänderung des Umgebungsgases ist. Es ergibt sich mithin, mindestens in erster Näherung:
Darin bedeuten:
$$\frac{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{a}}}\text{-}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{v}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{ao}}}}$$  : die Aenderung der Druckdifferenz zwischen Behältnisaussen- und -innendruck bezüglich eines Druckes bei Bezugsverhältnissen,
$$\frac{\text{Δ}{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\mathit{\text{p}}}_{\mathit{\text{ao}}}}$$  : die Aenderung des Aussendruckes bezüglich des genannten Druckes bei Bezugsverhältnissen,
$$\frac{{\text{Δϑ}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\mathit{\text{T}}}_{\mathit{\text{o}}}}$$  : die Aenderung der Aussentemperatur bezüglich der Temperatur bei Bezugsverhältnissen,
$$\frac{{\text{Δρ}}_{\mathit{\text{a}}}}{{\text{ρ}}_{\mathit{\text{ao}}}}$$  : die Dichteänderung des Umgebungsgases bezüglich der Dichte bei den Bezugsverhältnissen,
V*  : den Gasvolumenstrom.

Es ist nun daraus ersichtlich, dass sich, wenn zur Festlegung der Druckbezugsgrösse p_ao der Innendruck gleich dem Aussendruck gemacht wird, wie dies auf einfache Art und Weise durch Druckausgleich erfolgt, direkt aus einer Differenzdruckmessung zwischen Innenund Aussendruck die relative Dichte- bzw. Gasmassestromänderung in Funktion von Aussendruck und -temperatur ergibt.

Dieses höchst einfache Vorgehen wird, wie nachfolgend erläutert werden wird, bevorzugterweise für die Erfassung der hauptstörgrössenbewirkten Luftmassestromänderungen an der erfindungsgemässen störgrössenkompensierten Gebläsebrenneranlage eingesetzt.