BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verbrennungsluft bei der Verfeuerung fester Brennstoffe gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Einrichtung zur Verfeuerung fester Brennstoffe finden Anwendung beispielsweise zur Beheizung von Wohnräumen, insbesondere für kleinere Heizanlagen (z.B. mit einer Heizleistung von 50 kW), mit denen beispielsweise bis zu drei Wohneinheiten mit Wärme versorgt werden können. Die Hitze der verbrannten Gase wird über Wärmeaustauscher an einen geeigneten Wärmeträger (in der Regel Wasser) übertragen. Der Wärmeträger wird in bekannter Weise im Zentralheizungssystem umgewälzt.
Im Interesse eines guten Wirkungsgrades sollte die Verbrennung möglichst vollständig sein, d.h. möglichst wenig Kohlenmonoxid gebildet werden, denn abgesehen von seiner Giftigkeit besitzt es einen hohen Heizwert, der auch schon aus Wirtschaftlichkeitserwägungen ausgenützt werden sollte.
Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Regelung von Primär- und/oder Sekundärluft bekannt. Bei der Anordnung gemäss der DDR-Patentschrift 148 813 erfolgt die Regelung der Sekundärluft in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers. Eine solche Temperaurmessung gibt zwar Hinweise über den Bedarf an Heizleistung, lässt jedoch keine Rückschlüsse auf die Vollständigkeit der Verbrennung zu. Analoge Überlegungen gelten für eine Vorrichtung gemäss der französischen Patentschrift 82 040 62 die vom Wärmeträger bewirkte Erwärmung eines Wohnraumes überwacht wird. Bei der Vorrichtung gemäss US-Patentschrift 4 517 902 wird neben der Raumtemperatur noch die Temperatur bei oder zumindest nahe der Brennkammer gemessen. Aber auch hier lassen sich keine Rückschlüsse auf die Vollständigkeit der Verbrennung ziehen.
Das erfindungsgemässe Verfahren, wie es in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, mit möglichst einfachen Mitteln den Gehalt der Rauchgase an noch weiterverbrennbaren Gasen zu erfassen und die Luftzufuhr im Sinne einer möglichst vollständigen Verbrennung zu regeln, so dass eine möglichst hohe Flammtemperatur und ein möglichst guter Gesamtwirkungsgrad erzielt wird.
Nachstehend wird das erfindungsgemässe Verfahren sowie ein Ausführungsbeispiel einer diesbezüglichen Vorrichtung anhand von Figuren beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Flammtemperatur von Primär-/Sekundärluftverhältnis
Fig. 2 ein Blockschema eines erfindungsgemässen Regelungskreises
Fig. 3a eine Seitenansicht auf ein Heizungsaggregat
Fig. 3b eine disesbezügliche Aufsicht von oben.
Um die Verbrennung in sämtlichen Phasen des Verbrennungsprozesses beeinflussen zu können, wird bekanntlich einerseits Luft zum Anfachen des Feuers zugeführt, welche allge mein als Primärluft bezeichnet wird. Die zur Nachverbrennung der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase - insebesondere von Kohlenmonoxyd - eingesetzte Luft dagegen heisst in der Fachsprache Sekundärluft .
Sobald die Anfachphase vorbei ist und eine gewisse Verbrennungsleistung angefordert wird, werden sowohl Primär- als auch Sekundärluft zugeführt. Der Hersteller überlässt es nun dem Geschick des Kunden, wie das Verhältnis der zugeführten Primärluftmenge zur Menge der zugeführten Sekundärluft gewählt wird. Wie schon eingangs erwähnt ist der Wirkungsgrad der Feuerungsanlage dann am besten, wenn das Kohlenmonoxid möglichst vollständig verbrannt wird.
Um nun eine möglichst vollständige Verbrennung der noch weiterverbrennbaren Gasen zu erzielen, könnte eine laufende Überwachung der Rauchgase durchgeführt werden. Eine derartige Überwachung könnte beispielsweise mit einem Gasanalysegerät bewerkstelligt werden. Doch würde man solche Geräte in handelsübliche Heizanlagen einbauen, so würden diese ganz enorm verteuert werden. Ausserdem sind Gasanalysegeräte verschmutzungsempfindlich, was auch den Wartungsaufwand enorm erhöhen würde.
Erfindungsgemäss lässt sich nun die Tatsache ausnützen, dass der Gehalt der Rauchgase an CO und CO2 mit der Flammtemperatur korreliert ist. Daher kann mit einem einfachen Flammtemperaturfühler 13 auf den CO-Gehalt geschlossen werden. Ein Temperaturfühler ist nicht nur kostengünstig und einfach montierbar, sondern ist auch viel weniger verschmutzungsempfindlich als ein Gasanalysengerät.
Untersuchungen haben nun gezeigt, dass der Gehalt der Rauchgase an CO vom Verhältnis Primär-/Sekundärluft abhängig ist.
Dieser Zusammenhang ist in Figur 1 graphisch veranschaulicht. Die Kurve zeigt die Korrelation von Flammtemperatur Tf mit dem Verhältnis Primär-/Sekundärluft. Der dargestellte Kurvenverlauf hängt nicht nur von der Leistungsanforderung, sondern u.a. von der Konstruktion der Heizanlage oder von der Art der verwendeten Brennstoffe ab. Der Parameter X wird in der Literatur als Luftüberschuss bezeichnet und ist wie folgt definiert: COtmax =
CO + CO2
Hierbei bezeichnet CO2max das rein theoretisch erreichbare Maximum an erzeugtem CO2, wohingegen CO und CO2 praktisch gemessene Werte sind. Das Verhältnis von Primär zu Sekundärluft ist dann optimal eingestellt, wenn kein CO erzeugt wird, CO2 maximal und demzufolge X = 1 ist.
Der entsprechende Punkt auf der Abszisse ist mit Vprim/Vsek-optimal bezeichnet. Hier wird ein Maximum an CO2 und damit eine optimale Flammtemperatur erzielt. Links und rechts von diesem theoretisch erreichbaren Optimum sinkt die Flammtemperatur und auch der Wirkungsgrad der Heizanlage. Der vom optimalen Punkt Vprim/Vsek-optimal aus gesehen linke Teil der Kurve mit X > 1 ist der Bereich, in dem ein Überschuss an Sekundärluft vorhanden ist. Im Verhältnis zum Kohlenstoff ist zuviel Sauerstoff vorhanden, m.a.W. es sind nicht genügend Kohlenstoffatome vorhanden, um sich mit den zur Verfügung stehenden Sauerstoffatomen zu verbinden, so dass ein Teil der Luft bloss erhitzt wird, und nicht nur nichts zum Verbrennungsvorgang beinträgt, sondern bloss erhitzt wird und Wärmeenergie entzieht.
Es ist einleuchtend, dass in diesem Bereich der Wirkungsgrad nicht optimal ist. Die Kurve fällt bei einer Flammtemperatur von ca. 6000C stärker ab. Unterhalb dieser Flammtemperatur verschwelt der Brennstoff nur und es wird kaum Kohlenmonoxid verbrannt. Erst bei höheren Temperaturen verbindet sich der vorhandene Sauerstoff mit dem Kohlenmonoxid und zwar mit steigender Temperatur in steigendem Umfange bis zur maximal erreichbaren Flammtemperatur Tfmax bei X = 1. Im Bereiche rechts des erwähnten optimalen Punktes herrscht mit X < 1 ein Luftmangel. Es ist zu wenig Sauerstoff vorhanden, der sich mit dem erzeugten Kohlenstoff zu CO2 verbinden könnte, so dass in Abhängigkeit des Luftmangels der Anteil der Rauchgase an giftigen CO rasch zunimmt. In dieser Zone ist die Verbrennung unvollständig, so dass grosse Emissionen auftreten.
Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, im praktischen Betrieb der Heizanlage, im vom optimalen Punkt aus gesehen linken Bereich mit X > 1 zu arbeiten. Hierzu wird nun ein von einer oberen und einer unteren Temperatur To bzw. Tu begrenzter Temperaturbereich Tb festgelegt, in welchem der Luft überschuss etwas grösser als 1 ist. Die obere Temperatur To sollte bei genügendem Sicherheitsabstand möglichst nahe an die maximal erreichbare Flammtemperatur Tfmax herankommen, damit der Verbrennungsvorgang nicht in die instabile Zone mit X ¯ < 1 abdriftet. Tu wird so lief gewählt, dass beim später noch zu erläuternden Regelvorgang ein gewisser Sicherheitsabstand gewährleistet ist und X = 1 sicher nicht überschritten wird.
Der in Figur 1 gezeigte Kurvenverlauf hängt - wie eingangs betont - von verschiedenen Parametern ab. Er ist nicht nur von Bauart und Grösse der Heizung abhängig, sondern variiert auch für eine fest installierte Heizanlage mit der Gesamtluftzufuhr. Für den praktischen Betrieb muss jeder Anlagentyp individuell ausgemessen werden.
In Figur 2 ist das Blockschema eines erfindungsgemässen Regelungskreises gezeigt. Eine Heizanlage H weist einen Eingang P für Primärluft, einen Eingangs S für Sekundärluft, eine Messeinrichtung T für die Erfassung der Heizleistung sowie einen Messfühler 13 zur Erfassung der Flammtemperatur auf.
Mit der Hinweisziffer 9 ist ein elektrisch steuerbares Stellglied für die Regelung von Primär- und Sekundärluft bezeichnet. Es weist zwei Steuereingänge P + S bzw. P/S, einen in der Figur nicht dargestellten Eingang für Verbrennungsluft sowie zwei Ausgänge Ap,As für Primär- bzw. Sekundärluft auf. Mit letzteren ist es mit den entsprechenden Eingängen P bzw. S der Heizanlage H verbunden. Die Messeinrichtung T der Heizanlage H ist über einen ersten Regler C1 mit dem ersten Eingang P + 5 des Stellgliedes 9 verbunden. Der Messfühler 13 ist über einen zweiten Regler C2 mit dem Eingang P/S des Steuergliedes 9 verbunden. Der zweite Regler C2 weist sowohl mit seinem Ausgang C2a als auch mit einem Eingang C2e2 eine Verbindung zu einem Datenspeicher M auf.
Schliesslich ist ein Heizleistungswähler L zur Vorgabe der gewünschten Heizleistung vorhanden, welche am Regler C1 angeschlossen ist.
Der soeben beschriebene Regelkreis funktioniert wie folgt:
Zuerst wird der Heizleistungswähler L die gewünschte Heizleistung vorgegeben und im Regler C1 mit der vorhandenen Heizleistung verglichen. Sofern ein Überschuss an Heizleistung besteht wird über den Eingang P + S des Stellgliedes 9 die Zufuhr an Verbrennungsluft reduziert. Bei einem Mangel an Heizleistung wird die Zufuhr an Verbrennungsluft entsprechend erhöht.
Die Heizleistung kann über die Temperatur T des letztlich zu erwärmenden Mediums erfasst werden, d.h. bei einer Warmwasseraufbereitungsanlage über die Temperatur des Warmwassers und bei einer Heizanlage über die Raumtemperatur, um zwei Beispiele zu nennen.
Der Regler C2 dient der Verstellung des Primär-/Sekundärluftverhältnisses. Er ist mit dem Datenspeicher M verbunden, in welchem für verschiedene Mengen an Gesamtluftzufuhr Sollwerte für die obere und untere Flammtemperatur To bzw. Tu abgespeichert sind. Diese Werte können anhand von individuell an der Heizanlage durchgeführten Messungen vom Hersteller festgelegt werden. Sie sind mit einem Signal für die Gesamtluftzufuhr sowie mit einem gleichzeitig anliegenden Signal für das Primär-/Sekundärluftverhältnis abrufbar.
In einer weiteren Variante könnte auch ein adaptiver Regler eingesetzt werden, der sich an die optimale Flammtemperatur herantastet und sie im Datenspeicher M abspeichert. Ein Adaptationsvorgang könnte bei einer solchen Variante beispielsweise periodisch oder jeweils bei einem Brennstoffwechsel eingeleitet werden.
Als Signale betreffend die Gesamtluftzufuhr können die vom Regler C1 an das Stellglied 9 abgegebenen Signale verwendet werden. Sofern kein Regler C1 für die Gesamtluftzufuhr vorgesehen ist, kann die Information auch von einem blossen Sollwertgeber oder von einer entsprechenden Messeinrichtung entnommen werden. Datenspeicher M abgerufenen Sollwerte für Tu und To werden im Regler C2 mit dem vom Flammtemperaturfühler 13 abgegebenen Messsignal verglichen. Bei einer allfällig vorhandenen Differenz wird die Vorgabe für das Primär-/Sekundärluftverhältnis entsprechend verändert. Ist die gemessene Flammtemperatur geringer als der vorgegebene Wert für die untere Temperatur Tu, so wird das Primär-/Sekundärluftverhältnis vergrössert.
Ist die gemessene Flammtemperatur grösser als der vorgegebene Wert für die obere Temperatur To, so wird das Primär-/Sekundärluftverhältnis verringert. Liegt die gemessene Flammtemperatur zwischen Tu und To, so wird das Primär-/Sekundärluftverhältnis unverändert belassen.
Auf diese Weise wird eine sehr gute Optimierung des Verbrennungsvorganges erzielt.
Es ist allerdings nicht erfindungswesentlich, dass die Heizleistung und damit die Gesamtluftzufuhr als Parameter vorgegeben sein muss. Es ist nämlich auch eine Variante denkbar, bei welcher die Primärluftzufuhr fest eingestellt ist und nur die Sekundärluft geregelt wird. In einem solchen Fall entfällt ein Regler C1.
Figur 3a zeigt eine Seitenansicht auf ein Heizungsaggregat.
Dieses ist aus einem in seiner Gesamtheit mit der Hinweisziffer I bezeichneter Feuerungsteil, einem Wärmeaustauscher II und einem Wasserspeicher III aufgebaut.
Der Feuerungsteil I besteht aus einem mit einer Einfülltüre 2 versehenen Füllschacht 1 und einer mit einer Aschentüre 4 versehenen Brennkammer 3. Im unteren Bereich der Brennkammer 3 befindet sich ein vorzugsweise schräg angeordneter Brennrost 8. Funktionell gesehen ist die Autrennung in Füllschacht 1 und Brennkammer 3 nicht so scharf zu ziehen, da ein Teil der Brennkammer der Stapelung der noch unverbrannten Brennstoffe dient.
Im Bereich der Seitenwände der Brennkammer 3 oberhalb des Aschenrostes 5 sind auf diesen ausgerichtete Öffnungen eines Primärluftkanalsystems 7 angeordnet. Am vorderen unteren Ende eines Aschenrostes 5 befindet sich ein zugleich als Brennrost ausgebildetes Sekundärluftkanalsystem 8, dessen Öffnungen teils in die Brennkammer 3, teils in einen darunter liegenden Flammraum 6 gerichtet sind. Die in die Brennkammer 3 gerichteten Austrittsdüsen sind entgegen dem Primärluftstrom gereicht, um eine möglichst innige Vermischung der Brenngase mit der Verbrennungsluft zu erzielen. Sowohl das Primärluftkanalsystem 7 als auch das Sekundärluftkanalsystem 8 sind über den Luftregler 9 an einem gemeinsamen Gebläse 10 angeschlossen.
Der Flammraum 6, in welchem ein Temperaturfühler 13 angeordnet ist, führt zum Wärmeaustauscher II. Hier wird die Wärme der erhitzten Gase an als Wärmeträger fungierendes Wasser abgegebenen. Das heisse Wasser wird in den Speicher III überführt. Um die beim Verfeuerungsprozess entstehende Wärme möglichst gut auszunützen sind die Wände des Füllschachtes 1 als Wassermantel ausgebildet. Ferner ist ein Wassermantel 11 um Boden Vorder- und Seitenwände der Brennkammer 3 gelegt. Das in den Wänden des Füllturmes und im Wassermantel 11 zirkulierende Wasser kommuniziert mit dem im Wärmeaustauscher II und im Speicher III vorhandenen Wasser. Anstelle von Wasser könnte auch ein anderer geeigneter Wärmeträger, beispielsweise Luft, verwendet werden.
Um zu verhindern, dass der Raum, in dem sich das Heizungsaggregat befindet, überhitzt wird, ist der Feuerungsteil mit einer wärmedämmenden Verschalung 12 versehen.
In Figur 3b ist eine Aufsicht von oben auf das Heizungsaggregat gezeigt, wobei der obere Teil der Verschalung 12 und der Füllsturm 1 abgenommen sind. Man erkennt den Aschenrost 5, die Öffnungen 7 des Primärluftkanalsystems sowie die Öffnungen 8 des als Brennrost ausgebildeten Sekundärluftkanalsystems. Ferner ist die Anordnung des Wassermantels 11 und der Verschalung 12 verdeutlicht.
Es ist zu betonen, dass die Ausführungsform einer Heizanlage sehr unterschiedlich sein kann. Der Flammraum kann sich oberhalb oder unterhalb des Brennrostes befinden. In jedem Fall sollte der Messfühler 13 für die Flammtemperatur noch vor dem Wärmeaustauscher III angeordnet sein, damit die Messwerte durch den Wärmeaustauscher III nicht verfälscht werden.
Ferner bestehen sowohl bei der Gestaltung der Primär- als auch der Sekundärluftzufuhr grosse Variationsmöglichkeiten.
Infolgedessen kann die Grenze zwischen Primärluft und Sekundärluft nicht immer scharf gezogen werden. In der Regel kann jedoch zwischen zwei unterschiedlich wirkenden Lufteinlassvorrichtungen unterschieden werden: eine, um die Glut zu schüren und eine andere zur Verbrennung der durch die Glut erzeugten Verbrennungsgase. Eine Vorrichtung für die Luftzufuhr ist demzufolge je nach Schwerpunkt der Wirkung, entweder als Primär- oder als Sekundärluftzufuhr im Sinne der Erfindung zu betrachten.
Es ist unerheblich, wo die Regelung der Verbrennungsluft konstuktiv lokalisiert ist. Die Gesamtluftzufuhr sowie die Regelung des Primär-/Sekundärluftverhältnisses kann durch ein einziges Stellglied bewerkstelligt werden. Oder aber die Regelungsrichtungen sind konstruktiv an verschiedenen Stellen der Heizanlage verteilt. Beispielsweise kann ein Teil der Sekundärluftregelung mittels des Stellgliedes 9 und ein anderer Teil mittels eines in der Figur nicht dargestellten Schiebers direkt bei den Luftaustrittsöffnungen im Brenn- bzw. Flammraum vorgenommen werden.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method for controlling the combustion air in the combustion of solid fuels according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing the method.
Solid fuel combustion devices are used, for example, to heat living rooms, in particular for smaller heating systems (e.g. with a heating output of 50 kW), with which, for example, up to three residential units can be supplied with heat. The heat of the burned gases is transferred to a suitable heat transfer medium (usually water) via heat exchangers. The heat transfer medium is circulated in a known manner in the central heating system.
In the interest of good efficiency, the combustion should be as complete as possible, i.e. As little carbon monoxide as possible is formed, because apart from its toxicity, it has a high calorific value, which should also be used for economic reasons.
Various devices for regulating primary and / or secondary air are known. In the arrangement according to the GDR patent specification 148 813, the secondary air is regulated as a function of the temperature of the heat transfer medium. Such a temperature measurement gives information about the heating power requirement, but does not allow any conclusions to be drawn about the completeness of the combustion. Analogous considerations apply to a device according to French patent specification 82 040 62 which monitors the heating of a living space caused by the heat transfer medium. In the device according to US Pat. No. 4,517,902, in addition to the room temperature, the temperature at or at least near the combustion chamber is also measured. But here too, no conclusions can be drawn about the completeness of the combustion.
The method according to the invention, as characterized in the claims, solves the task of using as simple a means as possible to detect the content of flammable gases in the flue gases and to regulate the air supply in the sense of as complete a combustion as possible so that the highest possible flame temperature and the best possible overall efficiency is achieved.
The method according to the invention and an exemplary embodiment of a device in this regard are explained in more detail below using figures, for example.
Show it:
Fig. 1 is a graphical representation of the dependence of the flame temperature on the primary / secondary air ratio
2 shows a block diagram of a control circuit according to the invention
3a shows a side view of a heating unit
Fig. 3b is a supervision of this subject from above.
In order to be able to influence the combustion in all phases of the combustion process, on the one hand air is supplied to light the fire, which is generally referred to as primary air. In contrast, the air used for the post-combustion of the combustion gases generated during the combustion - especially carbon monoxide - is called secondary air.
As soon as the lighting phase is over and a certain combustion capacity is requested, both primary and secondary air are supplied. The manufacturer now leaves it up to the customer's skill how the ratio of the amount of primary air supplied to the amount of secondary air supplied is selected. As already mentioned at the beginning, the efficiency of the combustion system is best when the carbon monoxide is burned as completely as possible.
In order to achieve as complete a combustion as possible of the still combustible gases, continuous monitoring of the flue gases could be carried out. Such monitoring could be accomplished, for example, with a gas analyzer. But if you installed such devices in standard heating systems, they would be extremely expensive. In addition, gas analyzers are sensitive to contamination, which would also increase the maintenance effort enormously.
According to the invention, the fact can now be exploited that the content of CO and CO2 in the flue gases is correlated with the flame temperature. Therefore, the CO content can be concluded with a simple flame temperature sensor 13. A temperature sensor is not only inexpensive and easy to install, it is also much less sensitive to contamination than a gas analyzer.
Studies have now shown that the content of CO in the flue gases depends on the ratio of primary / secondary air.
This relationship is illustrated graphically in FIG. 1. The curve shows the correlation of flame temperature Tf with the ratio of primary / secondary air. The curve shown does not only depend on the performance requirement, but also on the design of the heating system or the type of fuel used. The parameter X is referred to in the literature as excess air and is defined as follows: COtmax =
CO + CO2
Here CO2max denotes the purely theoretically achievable maximum of generated CO2, whereas CO and CO2 are practically measured values. The ratio of primary to secondary air is optimally set when no CO is generated, maximum CO2 and therefore X = 1.
The corresponding point on the abscissa is labeled Vprim / Vsek-optimal. Here a maximum of CO2 and thus an optimal flame temperature is achieved. To the left and right of this theoretically achievable optimum, the flame temperature and the efficiency of the heating system decrease. The left part of the curve with X> 1 from the optimal point Vprim / Vsek-optimal is the area in which there is an excess of secondary air. There is too much oxygen in relation to carbon, m.W. there are not enough carbon atoms to combine with the available oxygen atoms, so that part of the air is not only heated and not only does nothing contribute to the combustion process, but is only heated and withdraws thermal energy.
It is obvious that the efficiency is not optimal in this area. The curve drops more strongly at a flame temperature of approx. 6000C. Below this flame temperature, the fuel only becomes carbonized and hardly any carbon monoxide is burned. Only at higher temperatures does the existing oxygen combine with the carbon monoxide, namely with increasing temperature in increasing amounts up to the maximum achievable flame temperature Tfmax at X = 1. In the area to the right of the optimal point mentioned, there is a lack of air with X <1. There is not enough oxygen to combine with the carbon produced to form CO2, so that depending on the lack of air, the proportion of toxic gases in the smoke increases rapidly. In this zone, the combustion is incomplete, so that large emissions occur.
For this reason, it is advisable to work with X> 1 in the practical operation of the heating system in the area on the left from the optimal point. For this purpose, a temperature range Tb is now defined by an upper and a lower temperature To or Tu, in which the excess air is somewhat larger than 1. The upper temperature To should come as close as possible to the maximum achievable flame temperature Tfmax with a sufficient safety distance so that the combustion process does not drift into the unstable zone with X ¯ <1. Tu is chosen so that a certain safety margin is guaranteed in the control process to be explained later and X = 1 is certainly not exceeded.
The curve shape shown in FIG. 1 depends - as emphasized at the beginning - on various parameters. It does not only depend on the type and size of the heating, but also varies for a permanently installed heating system with the total air supply. Each system type must be individually measured for practical operation.
FIG. 2 shows the block diagram of a control circuit according to the invention. A heating system H has an input P for primary air, an input S for secondary air, a measuring device T for detecting the heating power and a sensor 13 for detecting the flame temperature.
Reference number 9 denotes an electrically controllable actuator for the regulation of primary and secondary air. It has two control inputs P + S and P / S, one input for combustion air (not shown in the figure) and two outputs Ap, As for primary and secondary air. With the latter, it is connected to the corresponding inputs P and S of the heating system H. The measuring device T of the heating system H is connected to the first input P + 5 of the actuator 9 via a first controller C1. The sensor 13 is connected to the input P / S of the control element 9 via a second controller C2. The second controller C2 has a connection to a data memory M both with its output C2a and with an input C2e2.
Finally, there is a heating output selector L for specifying the desired heating output, which is connected to controller C1.
The control loop just described works as follows:
First, the heating output selector L is given the desired heating output and compared in controller C1 with the existing heating output. If there is an excess of heating power, the supply of combustion air is reduced via the input P + S of the actuator 9. If there is a lack of heating power, the supply of combustion air is increased accordingly.
The heating power can be recorded via the temperature T of the medium to be heated, i.e. for a hot water preparation system via the temperature of the hot water and for a heating system above the room temperature, to name two examples.
Controller C2 is used to adjust the primary / secondary air ratio. It is connected to the data memory M, in which setpoints for the upper and lower flame temperatures To and Tu are stored for different amounts of total air supply. These values can be determined by the manufacturer on the basis of measurements carried out individually on the heating system. They can be called up with a signal for the total air supply and with a signal for the primary / secondary air ratio that is present at the same time.
In a further variant, an adaptive controller could also be used, which probes the optimum flame temperature and stores it in the data memory M. With such a variant, an adaptation process could be initiated, for example, periodically or each time the fuel was changed.
The signals emitted by controller C1 to actuator 9 can be used as signals relating to the total air supply. If no controller C1 is provided for the total air supply, the information can also be taken from a mere setpoint generator or from a corresponding measuring device. Setpoints M for Tu and To retrieved from data memory M are compared in controller C2 with the measurement signal emitted by flame temperature sensor 13. If there is a difference, the specification for the primary / secondary air ratio is changed accordingly. If the measured flame temperature is lower than the specified value for the lower temperature Tu, the primary / secondary air ratio is increased.
If the measured flame temperature is greater than the specified value for the upper temperature To, the primary / secondary air ratio is reduced. If the measured flame temperature lies between Tu and To, the primary / secondary air ratio is left unchanged.
In this way, a very good optimization of the combustion process is achieved.
However, it is not essential to the invention that the heating power and thus the total air supply must be specified as parameters. A variant is also conceivable in which the primary air supply is fixed and only the secondary air is regulated. In such a case, a controller C1 is not required.
Figure 3a shows a side view of a heating unit.
This is made up of a firing section designated as a whole by reference number I, a heat exchanger II and a water reservoir III.
The firing part I consists of a filling shaft 1 provided with a filling door 2 and a combustion chamber 3 provided with an ash door 4. In the lower area of the combustion chamber 3 there is a preferably grate 8 arranged at an angle to pull so sharply that part of the combustion chamber is used to stack the unburned fuels.
In the region of the side walls of the combustion chamber 3 above the ash grate 5, openings of a primary air duct system 7 are arranged thereon. At the front lower end of an ash grate 5 there is a secondary air duct system 8, which is also designed as a firing grate, the openings of which are directed partly into the combustion chamber 3 and partly into a flame chamber 6 located below. The outlet nozzles directed into the combustion chamber 3 are directed against the primary air flow in order to achieve the most intimate possible mixing of the combustion gases with the combustion air. Both the primary air duct system 7 and the secondary air duct system 8 are connected to a common blower 10 via the air regulator 9.
The flame chamber 6, in which a temperature sensor 13 is arranged, leads to the heat exchanger II. Here, the heat of the heated gases is given off to water acting as a heat carrier. The hot water is transferred to storage III. In order to make the best possible use of the heat generated during the combustion process, the walls of the filling shaft 1 are designed as a water jacket. Furthermore, a water jacket 11 is placed around the bottom front and side walls of the combustion chamber 3. The water circulating in the walls of the filling tower and in the water jacket 11 communicates with the water present in the heat exchanger II and in the reservoir III. Instead of water, another suitable heat transfer medium, for example air, could also be used.
In order to prevent the room in which the heating unit is located from being overheated, the firing part is provided with a heat-insulating casing 12.
FIG. 3b shows a top view of the heating unit, the upper part of the casing 12 and the filling tower 1 being removed. One recognizes the ash grate 5, the openings 7 of the primary air duct system and the openings 8 of the secondary air duct system designed as a firing grate. The arrangement of the water jacket 11 and the casing 12 is also illustrated.
It should be emphasized that the design of a heating system can be very different. The flame chamber can be located above or below the firing grate. In any case, the sensor 13 for the flame temperature should be arranged before the heat exchanger III so that the measured values are not falsified by the heat exchanger III.
Furthermore, there are great variations in the design of both the primary and the secondary air supply.
As a result, the boundary between primary air and secondary air cannot always be drawn sharply. As a rule, however, a distinction can be drawn between two differently acting air intake devices: one to stir up the embers and another to burn the combustion gases generated by the embers. A device for the air supply is therefore, depending on the focus of the effect, either as a primary or as a secondary air supply in the sense of the invention.
It is irrelevant where the regulation of the combustion air is located. The total air supply and the regulation of the primary / secondary air ratio can be accomplished by a single actuator. Or the control directions are structurally distributed at different points in the heating system. For example, part of the secondary air control can be carried out by means of the actuator 9 and another part by means of a slide, not shown in the figure, directly at the air outlet openings in the combustion or flame chamber.