Vorrichtung zum Regeln der Sekundärluftzufuhr für eine Feuerung, insbesondere eines Heizkessels

Abstract

 Zur Regelung der Sekundärluftzufuhr für eine Feuerung mit einer Primärverbrennungsstrecke (2) und einer nachgeord­neten Sekundärverbrennungsstrecke (3) im Anschluß an die Sekundärluftzufuhr wird über je eine Meßeinrichtung (12 bzw. 13) die elektrische Leitfähigkeit der Flamme bzw. der Ver­brennungsgase einerseits im Bereich der Primärverbrennungs­strecke (2) und anderseits im Bereich der Sekundärverbren­nungsstrecke (3) erfaßt, wobei der gemessene Leitwert im Be­reich der Sekundärverbrennungsstrecke (3) einer Regelein­richtung (11) als Istwert für einen Regelabgleich zugeleitet wird, dessen Sollwert in Abhängigkeit von dem erfaßten Leit­wert im Bereich der Primärverbrennungsstrecke (2) aus einer abgespeicherten Zuordnung zwischen diesen Leitwerten und den Sollwerten für die Sekundärverbrennungsstrecke (3) ausge­wählt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Regeln der Sekundärluftzufuhr für eine Feuerung, insbesondere eines Heizkessels, mit einer Primärverbrennungsstrecke und einer nachgeordneten Sekundärverbrennungsstrecke im Anschluß an die Sekundärluftzufuhr, einer Meßeinrichtung für einen von der Verbrennungsgüte abhängigen Parameter im Bereich der Se­kundärverbrennungsstrecke und mit einer Regeleinrichtung für die Sekundärluftzufuhr in Abhängigkeit vom Istwert des Para­meters.

[0002] Um insbesondere bei festen Brennstoffen vorteilhafte Ver­brennungsverhältnisse sicherzustellen, wird die Verbren­nungsiuft in Anpassung an den Verbrennungsvorgang geteilt zugeführt, und zwar im Bereich des Glutstockes als Primär­luft und im Bereich der aus dem Glutstock austretenden, brennbaren Gase als Sekundärluft. Dementsprechend kann zwi­schen einer Primärverbrennungsstrecke und einer dieser Pri­märverbrennungsstrecke nachgeordneten Sekundärverbrennungs­strecke im Anschluß an die Sekundärluftzufuhr gesprochen werden. Zur Regelung einer solchen Verbrennung wird im all­gemeinen die Sekundärluftzufuhr in Abhängigkeit von der Ab­gastemperatur, dem Sauerstoffrestgehalt in den Abgasen oder dem Gehalt an Kohlenstoffmonoxid, also in Abhängigkeit von einem ein Maß für die Verbrennungsgüte darstellenden Para­meter gesteuert, wobei vorausgesetzt wird, daß sich ändernde Verhältnisse im bereich der Primärverbrennungsstrecke über den zur Steuerung der Sekundärluftzufuhr erfaßten Parameter ausreichend berücksichtigt werden können. Genauere Untersu­chungen haben jedoch gezeigt, daß dies nicht der Fall ist und daß es wünschenswert wäre, die Sekundärluftzufuhr auch in Abhängigkeit von den jeweiligen Verbrennungsverhältnissen im Bereich der Primärverbrennungsstrecke zu steuern.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vor­richtung zum Regeln der Sekundärluftzufuhr für eine Feue­rung, insbesondere eines Heizkessels, der eingangs geschil­derten Art mit einfachen Mitteln so auszugestalten, daß die Verbrennung unter Berücksichtigung der sich ändernden Ver­brennungsbedingungen im Bereich der Primärverbrennungs­strecke im Hinblick auf den Wirkungsgrad und auf den Schad­stoffgehalt optimiert werden kann.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Meßeinrichtung aus einem Elektroden paar zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit der Flamme bzw. der Verbrennungs­gase im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke besteht, daß eine weitere Meßeinrichtung mit einem Elektrodenpaar zum Er­fassen der elektrischen Leitfähigkeit der Flamme bzw. der Verbrennungsgase im Bereich der Primärverbrennungsstrecke vorgesehen ist und daß die Regeleinrichtung eine von der er­faßten Leitfähigkeit im Bereich der Primärverbrennungsstrecke abhängige Sollwertvorgabe für die Sekundärverbrennungs­strecke mit einer abgespeicherten Zuordnung zwischen den Leitwerten im Bereich der Primärverbrennungsstrecke und den Sollwerten für die Sekundärverbrennungsstrecke umfaßt.

[0005] Da die elektrische Leitfähigkeit einer Flamme bzw. eines Verbrennungsgases von der Anzahl der thermisch freigesetzten Ionen und Elektronen und damit von der jeweils wirksamen Temperatur der Flamme und der chemischen Zusammensetzung der Verbrennungsgase abhängt, stellt die elektrische Leitfähig­keit der Flamme bzw. des Verbrennungsgases nicht nur einen für die Verbrennungsgüte besonders aussagekräftigen Parame­ ter dar, sondern auch einen Parameter, der einfach meßtech­nisch mit Hilfe eines Elektrodenpaares erfaßt werden kann, weil sich die positiv geladenen Ionen in der Flammenwurzel konzentrieren, während sich die erheblich beweglicheren Elektronen sich vor allem im Bereich des Flammenendes fin­den, so daß sich zwischen der Flammenwurzel und dem Flammen­ende eine Potentialdifferenz ergibt, die von der Temperatur und der Zusammensetzung der Verbrennungsgase abhängt. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, daß aufgrund der Be­setzung der äußeren Elektronenschalen beispielsweise Kohlen­stoffmonoxidmoleküle wesentlich leichter Elektronen als Koh­lenstoffdioxidmoleküle abgeben. Über die elektrische Leitfä­higkeit können folglich die Verbrennungsbedingungen sowohl im Bereich der Primär- als auch der Sekundärverbrennungs­strecke erfaßt werden. Um dabei die Verbrennungsverhältnisse im Bereich der Primärverbrennungsstrecke für die Regelung der Sekundärluftzufuhr berücksichtigen zu können, wird auf­grund der erfaßten Leitfähigkeit im Bereich der Primärver­brennungsstrecke der Regeleinrichtung ein Soll wert für die Sekundärverbrennungsstrecke vorgegeben, der aus der abge­speicherten Zuordnung zwischen den Leitwerten im Bereich der Primärverbrennungsstrecke und den für diese Leitwerte je­weils günstigsten Soll werten für die Sekundärverbrennungs­strecke ausgewählt wird. Dieses Verhältnis zwischen den bei einem optimierten Verbrennungsablauf auftretenden Leitwerten im Bereich der Primär- und der Sekundärverbrennungsstrecke kann in einer Versuchsreihe für unterschiedliche Bedingungen im Bereich der Primärverbrennungsstrecke einmal für eine be­stimmte Feuerung empirisch bestimmt und dann den Regelein­richtungen für eine solche Feuerung vorgegeben werden, weil sich ja bei gleichbleibenden geometrischen Verhältnissen die Leitwertverhältnisse bei bestimmten Verbrennungsbedin­gungen nicht ändern. Die in einer Versuchsreihe den Leitwer­ten im Bereich der Primärverbrennungsstrecke zugeordneten Leitwerte im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke stellen somit als Sollwerte für die Sekundärverbrennungsstrecke bei einem Soll-Istwertabgleich zufolge eines Eingriffes in die Sekundärluftzufuhr die in der Versuchsreihe festgelegten op­timalen Verbrennungsbedingungen auch bei nachfolgenden Ver­brennungen sicher.

[0006] Um für die Erfassung der elektrischen Leitwerte eine hohe Meßempfindlichkeit zu erhalten, können die an einer elektri­schen Vorspannung anliegenden Elektroden jeder der beiden Meßeinrichtungen in Reihe mit einem ohmschen Widerstand liegen, wobei zum Erfassen der Leitfähigkeit im Bereich der Primär- bzw. der Sekundärverbrennungsstrecke der Spannungs­abfall an diesem Widerstand gemessen wird. Die beiden Meß­einrichtungen können dabei jeweils gesonderte Elektroden aufweisen. Besonders einfache Konstruktionsverhältnisse er­geben sich jedoch, wenn der Rost der Feuerung zumindest für die der Primärverbrennungsstrecke zugeordnete Meßeinrichtung die eine der beiden Elektroden bildet. Da die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke auch über ein Elektrodenpaar erfaßt werden kann, dessen eine Elektrode am Beginn der Primärverbrennungsstrecke und dessen andere Elektrode am Ende der Sekundärverbrennungsstrecke an­geordnet sind, weil ja die Leitfähigkeit der Primärverbren­nungsstrecke gesondert erfaßt wird, ist es auch möglich, den Rost der Feuerung als eine Elektrode für beide Meßeinrich­tungen heranzuziehen.

[0007] Die Regelung der Sekundärluftzufuhr in Abhängigkeit vom Ver­hältnis der elektrischen Leitwerte im Bereich der Primär- und der Sekundärverbrennungsstrecke läßt außerdem eine ein­fache Berücksichtigung der sich mit dem Brennstoff ändernden Verbrennungsbedingungen zu, wenn das für eine optimale Ver­brennung erforderliche Verhältnis der Leitwerte für diese unterschiedlichen Brennstoffe bestimmt wird. Zu diesem Zweck kann die Regeleinrichtung eine umschaltbare Sollwertvorgabe für wenigstens zwei unterschiedliche Brennstoffe mit den für diese Brennstoffe empirisch ermittelten Zuordnungen zwischen den Leitwerten im Bereich der Primärverbrennungsstrecke und den Sollwerten für die Sekundärverbrennungsstrecke aufwei­sen. Beim Einsatz eines dieser Brennstoffe braucht lediglich die Sollwertvorgabe für die Regeleinrichtung auf diesen Brennstoff umgestellt zu werden, um bei der Regelung der Se­kundärluftzufuhr die brennstoffspezifischen Verbrennungsbe­dingungen berücksichtigen zu können.

[0008] Damit kurzzeitige Schwankungen im Verbrennungsablauf nicht zu die Verbrennungsbedingungen ändernden Regeleingriffen und damit zu einer instabilen Regelung führen können, kön­nen die beiden Meßeinrichtungen zur Erfassung der Leitwerte in der Primär- und der Sekundärverbrennungsstrecke jeweils über einen Mittelwertbildner an die Regeleinrichtung ange­schlossen sein, mit dessen Hilfe lediglich Änderungen über längere Zeitabschnitte erfaßt und für die Regelung ausge­nützt werden.

[0009] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln der Sekundärluftzufuhr für eine Feuerung in einem schematischen Blockschaltbild gezeigt.

[0010] Die dargestellte Festbrennstoff-Feuerung für einen Heizkes­sel weist eine durch eine Brennkammer 1 gebildete Primärver­brennungsstrecke 2 und eine daran anschließende Sekundärver­brennungsstrecke 3 in Form eines Nachverbrennungsraumes oder Flammkanales 4 auf. Der Brennstoff wird über eine durch einen Pfeil 5 angedeutete Zuführeinrichtung auf einen Rost 6 gefördert, der die Brennkammer 1 nach unten abschließt. Die Primärluft wird über ein Gebläse 7 durch den Rost 6 dem Brennstoff zugeführt, wobei die aufgrund der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase in das Flammrohr 4 zur Nach­verbrennung strömen, für die über ein Gebläse 8 Verbren­nungsluft bereitgestellt wird. Zur Steuerung dieser als Se­kundärluft zugeführten Verbrennungsluft dient ein drehzahl­ gesteuerter Motor 9 für das Gebläse 8, dessen Stellglied 10 für die Drehzahlsteuerung von einer Regeleinrichtung 11 be­aufschlagt wird. Zur Regelung der Sekundärluftzufuhr werden die elektrischen Leitwerte im Bereich der Primärverbrennungs­strecke 2 und im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke 3 erfaßt, und zwar mit Hilfe von je einer Meßeinrichtung 12 bzw. 13 mit je zwei Elektroden 14, 15 bzw. 16, 15. Wie der Zeichnung entnommen werden kann, dient gemäß dem Ausfüh­rungsbeispiel der Rost 6 als gemeinsame Elektrode 15 für beide Meßeinrichtungen 12 und 13, was jedoch nicht der Fall sein muß. Die Elektroden 14, 15 bzw. 16, 15 liegen jeweils an einer Spannungsquelle 17 an und sind in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 18 geschaltet, wobei der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 18 von einem Meßwertgeber 19 erfaßt und an einen Mittelwertbildner 20 weitergeleitet wird, der die erfaßten Meßwerte über eine vorgegebene Zeitspanne mit­telt, um kurzzeitige Schwankungen ausgleichen zu können. Während der gemittelte Meßwert der Meßeinrichtung 19 zur Erfassung des Leitwertes im Bereich der Sekundärverbrennungs­strecke 3 als Istwert der Regeleinrichtung 11 zugeführt wird, dient der gemittelte Meßwert der Leitfähigkeit im Be­reich der Primärverbrennungsstrecke zur Bestimmung des für den Regelabgleich vorzugebenden Sollwertes für die Sekundär­verbrennungsstrecke 3. Zu diesem Zweck ist der Regeleinrich­tung 11 eine Sollwertvorgabe 21 zugeordnet, in der über einen Eingang 22 eine bestimmte Zuordnung zwischen der Leit­fähigkeit im Bereich der Primärverbrennungsstrecke 2 und dem Sollwert der Leitfähigkeit für die Sekundärverbrennungs­strecke 3 abgespeichert ist, um aufgrund des jeweils über den Eingang 23 anliegenden Mittelwertes der Leitfähigkeit der Primärverbrennungsstrecke 2 den diesem Mittelwert zuge­ordneten, abgespeicherten Sollwert an die Regeleinrichtung 11 als Führungsgröße auslesen zu können. Diese Zuordnung zwi­schen den Leitwerten der Primär- und der Sekundärverbren­nungsstrecke wird für eine bestimmte Feuerung in einer Ver­suchsreihe erfaßt, in der bei verschiedenen Verbrennungsver­ hältnissen im Bereich der Primärverbrennungsstrecke 2 die Sekundärluftzufuhr so eingestellt wird, daß hinsichtlich des Schadstoffgehaltes und des Wirkungsgrades vorteilhafte Er­gebnisse erreicht werden, wobei zu dieser Einstellung die Temperatur, der Luftüberschuß, der Schadstoffgehalt u. dgl. im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke 3 gemessen werden kann. Für die jeweils eingestellte günstigste Verbrennung wird dann der elektrische Leitwert im Bereich der Sekundär­verbrennungsstrecke 3 gemessen und der Leitfähigkeit im Be­reich der Primärverbrennungsstrecke zugeordnet, so daß nach der Abspeicherung dieser Zuordnung in der Sollwertvorgabe 21 beim Auftreten von bestimmten, durch einen Leitwert cha­rakterisierten Verbrennungsbedingungen im Bereich der Pri­märverbrennungsstrecke 2 die Sekundärluftzufuhr aufgrund des diesem Leitwert zugeordneten Sollwertes für die Sekundärver­brennungsstrecke entsprechend der empirisch ermittelten, günstigsten Verbrennung nachgeregelt werden kann. Ist mit dem Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe zu rechnen, 50 kann das Verhältnis der Leitwerte im Bereich der Primär- und der Sekundärverbrennungsstrecke durch entsprechende Versuchs­reihen auch an unterschiedliche Brennstoffe angepaßt und abgespeichert werden. Beim Wechsel des Brennstoffes braucht in diesem Fall lediglich die Sollwertvorgabe 21 entsprechend umgeschaltet zu werden.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Regeln der Sekundärluftzufuhr für eine Feuerung, insbesondere eines Heizkessels, mit einer Primärverbrennungsstrecke (2) und einer nachgeordneten Sekundärverbrennungsstrecke (3) im Anschluß an die Sekun­därluftzufuhr, einer Meßeinrichtung (12 bzw. 13) für einen von der Verbrennungsgüte abhängigen Parameter im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke (3) und mit einer Regel­einrichtung (11) für die Sekundärluftzufuhr in Abhängig­keit vom Istwert des Parameters, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (13) aus einem Eletrodenpaar (16, 15) zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit der Flamme bzw. der Verbrennungsgase im Bereich der Sekundärverbren­nungsstrecke (3) besteht, daß eine weitere Meßeinrichtung (12) mit einem Elektrodenpaar (14, 15) zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit der Flamme bzw. der Verbrennungs­gase im Bereich der Primärverbrennungsstrecke (2) vorge­sehen ist und daß die Regeleinrichtung (11) eine von der erfaßten Leitfähigkeit im Bereich der Primärverbrennungs­strecke (2) abhängige Sollwertvorgabe (21) für die Sekundär­verbrennungsstrecke (3) mit einer abgespeicherten Zuordnung zwischen den Leitwerten im Bereich der Primärverbrennungs­strecke (2) und den Sollwerten für die Sekundärverbrennungs strecke (3) umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer elektrischen Vorspannung anliegenden Elek­troden (14, 15; 16, 15) jeder der beiden Meßeinrichtungen (12, 13) in Reihe mit einem ohmschen Widerstand (18) lie­gen und daß zum Erfassen der Leitfähigkeit im Bereich der Primär- bzw. der Sekundärverbrennungsstrecke (2 bzw. 3) der Spannungsabfall an diesem Widerstand (18) gemessen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Rost (6) der Feuerung zumindest für die der Primärverbrennungsstrecke (2) zugeordnete Meßeinrichtung (12) die eine der beiden Elektroden (14, 15) bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (11) eine umschalt­bare Sollwertvorgabe (21) für wenigstens zwei unterschied­liche Brennstoffe mit den für diese Brennstoffe empirisch ermittelten Zuordnungen zwischen den Leitwerten im Bereich der Primärverbrennungsstrecke (2) und den Sollwerten für die Sekundärverbrennungsstrecke (3) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßeinrichtungen (12, 13) je­weils über einen Mittelwertbildner (20) an die Regeleinrich­tung (11) angeschlossen sind.

Zeichnung