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Vorrichtung zur Regelung der Verbrennungsluftmenge einer
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Feuerstätte Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der
Verbrennungsluftmenge einer Feuerstätte mit einer Einrichtung zur Veränderung der
Verbrennungsluftmenge.
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Der Wirkungsgrad des Verbrennungsvorganges in einer Feuerstätte ist
von einer Vielzahl von Parametern abhängig, so beispielsweise vom Klima, von auftretenden
Regelfehlern od. dgl.. Wesentlich für den Wirkungsgrad sind die Abgastemperatur
und der Kohlendioxid- bzw. Sauerstoffgehalt.
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Aus der DE-OS 24 61 565 ist es bereits bekannt, die Verbrennungsluftmenge
zuluftseitig zu regeln, und zwar in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt im Abgas.
Zur Veränderung der Zuluftmenge kann beispielsweise zuluftseitig ein.
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einstellbare, mit einem Stellglied verbundene Klappe vorgesehen sein.
Bei Brennern mit stufenlos regulierbarer Leistung ist es bekannt, der jeweiligen
Brennstoffmenge über eine Kurvenscheibenanordnung eine einmalig einstellbare, feste
Zuluftmenge zuzuordnen.
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Die bekannten Vorrichtungen zur Korrektur dieser Zuluft-
menge
abhltngig vom Rest-02-Wert im Abgas weisenden Nachteil auf, daß bei der Regelung
der Verbrennungsluftmenge nicht allo auftretenden Parameter berücksichtigt werden,
da der Feuerraumdruck durch die rein zuluftseitige Regelung negativ beeinflußt wird,
wodurch der Regelung bzw. der Optimierung der Verbrennungsluftmenge Grenzen gesetzt
sind. Insbesondere darf die zuluftseitige Verbrennungsluftmenge nicht beliebig stark
gedrosselt werden, da mit zunehmender Verringerung der Verbrennungsluftmenge der
Brennraumdruck absinkt und die Mischenergie zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft
so vermindert wird, daß keine optimale Verbrennung sehr erfolgt und rollt eine unerwUzischte
CO- bzw. Rußentwicklung auftritt. Dieses Problem ist bei leistungsgeregelten Brenneun,
insbesondere bei Kleinlast, sehr schwerwiegend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß in allen Lastbereichen des Brenners ein besserer
feuerungstechnischer Wirkungsgrad als bei den bekannten Vorrichtungen erzielt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auteinander
abgestimmte, gleichzeitig durch eine Regeleinheit beeinflußbare Einrlchtungen zur
zuluftseitigen und abgasseitigen Beeinflussung der Verbrennungsluftmenge vorgesehen
sind. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme, die Regelung gleichzeitig sowohl zuluttseitig
als auch abgasseitig vorzu-
nehmen, wird eine Druckerhöhung i Brennraum
ermöglicht, indem dem zuluftseitigen Ventilatordruck abgasseitig ein Widerstand
entgegengesetzt wird. Hierdurch bleibt die zuluttseltigo Mischenergie zwischen Verbrennungsluft
und Brennstoff bei gleichzeitiger Reduzierung der Verbrennungsluftmenge erhalten.
Durch die sowohl zuluftseitig als auch abgasseitig erfolgende Beeinflussung der
Verbrennungsluftmenge wird die Menge der Verbrennungsluft optimal begrenzt und der
feuerungstechnische Wirkungsgrad unter Ausschluß der die Verbrennung negativ beeinflussenden
Parameter in allen Lastberelehen des Brenners laufend gehalten.
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Der Meßgeber im Abgas kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
beispielsweise als eine auf der Basis des Feststoffelektrolysesystems arbeltends,
den Sauerstoffgehalt ermittelnde Meßzelle ausgebildet und zusätzlich zur Weitergabe
des (Unter)-Druckes im Brennraum oder Abgasrohr geeignet sein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß
der Meßgeber außerdem einen als Vorrichtung zur Messung der Rauchgasdichte bzw.
Rußdichte (bei blverbrenaung) bzw. als Vorrichtung zur Messung des CO-Wcrtes (bei
Gasverbrennung) ausgebildeten Meßwertaufnehmer aufweist bzw. als Sensor zur optischen
Erfassung des Flammentemperaturspektrums
ausgebildet ist. Diese
Maßnahme beruht auf der Überlegung, daß die Einstellung der Sauerstoffwerte von
der Mindestzuluftmenge abhingig ist, bei der die Verbrennung gerade noch ohne zu
grosne Rußbildung (bel Ölverbrennung) bzw. CO-Bildung (bei Gasverbrennung) abläuft,
und daß der Rußwert bzw. CO-Wert die Leitgröße fUr den Restsauerstoffwert darstellt
bzw. die Flammentemperatur bei zuviel oder zuwenig Verbrennungsluft Jeweils absinkt.
Die durch die vorgesehene Maßnahme ermöglichte dir.kte Regelung nach den Ruß- bzw.
CO-Werten oder Flammentemperaturwerten bildet somit den Vorteil, der Regeleinheit
nur einon einzigen Sollwert vorgeben zu müssen. Weiterhin ist vorteilhaft, daß mechanische
Änderungen am Brenner bzw. an der BrennerdUse oder Rußablagerungen im Kessel, die
einen Einfluß auf die optimalen Mindest-Sauerstoffwerte haben, in der Messung uniittelbar
berücksichtigt werden. Somit kann der an der Regeleinheit eingestellte Ruß- bzw.
CO-Sollwert immer beibehalten werden, während eine Sauerstoff-Sollwertkurve eventuellen
Veränderungen unterworfen sein kann und somit mindesteins einer 3lhrlichen Nachkontrolle
bedarf. Die Vorrichtung zur Messung der Rauchgasdichte bzw. Rußdichte ist vorzugsweise
als fotoelektrisches Gerät ausgebildet. Die Messung des Restsauerstoffwertes im
Abgas kann zusätzlich zu Überwachungszwecken erfolgen.
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Bei der bekannten Regelung der Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit
von Abgaswerten ist weiterhin von Nachteil, daß die Meßwerte nach einer Veränderung
der Zuluftmenge erst dann gemessen werden können, wenn sich die Veränderung der
Zuluftmenge im Abgas buerkbar macht, was einen Zeitraum von einigen
Sekunden
dauert. Dies ist insbesondere nachteilig im Hinblick auf die demgegenüber schnell
auftretenden Brennerlastknderungen, welche sehr schnelle Veränderungen der Sauorstofrwerte
und damit der Stellmotorkennlinie nach sich ziehen können. Zur Behebung dieses Nachteils
ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Regeleinheit einen
Speicher zur Speicherung der der 3eweiligen Brennerlast zugeordneten Stellung der
zuluftseitigen und/oder abgasseitigen Einrichtungen zur Beeinflussung der Verbrennungslurtmenge
aufweist. Damit ist es möglich, daß die Regeleinheit die Ausfahrstellung, insbesondere
die Hubstellung des Zuluftmotors bei optimierter Verbrennung der 3eweiligen Brennerlast
vermerkt und bei späterem erneutem Anfahren der gleichen Brennerlast vorrangig vor
einer Feinausregelung des Sauerstot£wertes die vorgemerkte Hubstellung mit schneller
Laufgeschwindigkeit des Stellmotors angesteuert wird.
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Die Regel einheit kann zu diesem Zwecke mit einem Mikroprozessor ausgestattet
sein. Die Problematik der Brennerregelung wird somit erfindungsgemäß dadurch gemildert,
daß bei einer Brennerlaständerung zunächst schnell und - ohne die erst später meßbaren
Veränderungen in den Abgaswerten abzuwarten - angefahren wird und dann eine Feinnachregelung
in Abhängigkeit von den Abgaswerten erfolgt. Aufgrund der starken Hysterese-Problematik
der Brennerregelung wird das Vormerken der Hubstellung des Stellmotors nicht nur
von der jeweiligen Brennerlast sondern darüber hinaus auch noch davon abhängig gemacht,
ob diese Brennerlast von einer größeren oder kleineren Brennerlast ausgehend angefahren
wurde. Die Speicherung dieser Information kann in dem Mikroprozessor erfolgen. Die
Einrichtungen zur zulurtseitigen und abgasseitigen Beeintlussung der Verbronnungslutt
on-
ge sind vorzugsweise als Steuerklappen ausgebildet. Alternativ
kann die Regulierung zuluftseitig Uber eine Drehzahlregelung des Ventilators erfolgen.
Beiden Einrichtungen ist eine sog.
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Nullstellung zugeordnet. Diese Nullstellung ist bei der Einrichtung
zur abgasseitigen Beeinflussung der Verbrennungsluftmenge die voll geöffnete Stellung.
Bei der Einrichtung zur zuc luftseitigen Bbeinflussung kann die Nullstellung die
voll ausgetabreno oder auch die voll eingeschobene Stellung bedeuten.
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Der gesamte Hubweg der zuluftseitigen Einrichtung zur Beeinfluasung
der Verbrennungsluftmenge wird durch Endschalter begrenzt.
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Welche der beiden Endstellungen als Nullstellung gilt, hängt davon
ab, bei welcher diejenige Zuluftienge sichergestellt ist, bei der eine einwandfreie
Verbrennung, jedoch mit unbefriedigenden Sauerstoffwerten, erfolgt. Erfindungsgemäß
sind nun Elnrichtungen vorgesehen, mittels derer die Einrichtungen zur zuluftseitigen
und abgasseitigen Beeinflussung der Verbrennungsluttmenge bei Brennerabschaltung
bzw. Auftreten einer Störung die Nullstellung bzw. offene Ausgangsstellung einnehmen.
Ausgehend von dieser Nullstellung bzw offenen Ausgangsstellung wird dann bei Flaiienstart
jeweils in die die Zulurtenge verringernde Richtung geregelt. In vorteilhafter Ausgestaltung
dieses Merkmals der Erfindung kann vorgesehen sein, daß bei Brennervorlüftung und
Flammenstart jeweils die Nullstellungen beider Einrichtungen, also der zuluftseitigen
und der abgasseitigen Einrichtung, elngenoxnen werden. Die Regelung nach Abgaswerten
wird erst nach Beginn der Verbrennung zugeschaltet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Sicher-
stellung
einer ur,gefährlichen Verbrennung auch bei defekter Regelung eine Sicherheitsschaltung
vorgesehen. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur zuluftseitigen
Beeinflussung der Verbrennungsluftmenge über eine bei Unterschreiten oder Überschreiten
des jeweiligen Ruß-, CO- oder Sauerstoffsollwertes ansprechende Einrichtung in die
Nullstellung bzw. offene Ausgangsstellung zurückgefahren wird, und eine Zeitschalteinrichtung
zur Überwachung des Zurückfahrens bzw. Erreichens der Nullstellung bzw. offenen
Ausgangsstellung vorgesehen ist, und die Zeitschalteinrichtung bei Überschreiten
einer vorgegebenen Zeit ein eine Störmeldung oder eine Abschaltung des Brenners
bewirkendes Signal abgibt. Diese Einrichtung arbeitet in folgender Weise. Bei der
Brennervorlüftung wird der Sauerstoffwert gemessen und auf den in der Umgebungsluft
enthaltenen Wert von 20,8 % überprüft Der Sollwertkurven-Vorgabe wird eine bestimmte
Bandbreite zugeordnet, und der gemessene RuB-, CO- oder Sauerstoffwert wird mit
den Vorgabewerten dahingehend verglichen, ob die gemessenen Werte innerhalb oder
außerhalb der Vorgabewerte liegen. Bei Uber- oder Unterschreiten dieser Werte wird
der Zuluftstellmotor unmittelbar in die Nullstellung bzw. offene Ausgangsstellung
gefahren. Dies kann über ein fremdes Stromnetz oder auch mechanisch erfolgen. Das
Erreichen der Nullstellung bzw. offenen Ausgangsstellung wird durch die Zeitschalteinrichtung
überwacht. Sollte irgendein Defekt - insbesondere am Stellmotor der Zuluftklappe
- ein Zurückfahren des Stellmotors in die Nullstellung bzw. offene Ausgangsstellung
verhin-
dern, so wird nach Ablauf der vorgegebenen Zeit durch Wirkung
der Zeitschalteinrichtung ein eine Störmeldung und/ oder eine Abschaltung des Brenners
bewirkendes Signal abgegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Kessel 1 weist eine Feuerstätte 2 aut, in
welcher die Flamme 3 eines Brenners 4 brennt, welchem Verbrennungsluft durch einen
Ventilator 5 zutuhrbar ist. In dem zwischen Ventilator 5 und Brenner 4 vorgesehenen
Zuluftkanal ist eine Regelklappe 7 angoordnet, welche über einen mehrere Geschwindigkeitsbereiche
autweisenden Stellmotor 8 betätigbar lt, und zwar derart, daß dadurch eine zuluftseitige
Regelung der Verbrennungsluftienge erfolgen kann. Die Regelung erfolgt über eine
Regeleinheit 9> dio über eine Leitung 10 mit des Stellmotor 8 in Verbindung steht.
Der Stellmotor 8 ist außerdem über eine Leitung 11 mit einen Verbundregler 12 verbunden,
der über ei- -ne Leitung 13 mit einem Stellnotor 14 für ein Brennerventil 15 verbunden
ist. Der Stellmotor 14 steht außerdem über eine Leitung 16 mit einem Brennerlastgeber
17 in Verbindung, welcher wiederum über eine Leitung 18 mit der Regeleinheit 9 in
Verbindung steht. Ein Sensor zur optischen Eriassung des Flammentemperaturspektrums
trägt die Bezugsziffer 19.
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Abgasseitig ist im Abgaskanal 20 eine gegen Anschläge 21
verfahrbare
Klappe 22 vorgesehen, die über einen Stellmotor 23 steuerbar ist. Der Stellmotor
23 steht über eine Leitung 24 mit der Regeleinheit 9 in Verbindung. Weiterhin ist
abgasseitig in Abgaskanal 20 ein Meßwertaufnehmer 25 angeordnet, der in Falle einer
Olverbrennung als eine fotoelektrisch arbeitende Vorrichtung zur Messung der Rauchgasdichte
bzw Rußdichte bzw. bei einer Gasverbrennung als Vorrichtung zur Messung des CO-Wortes
ausgebildet ist. Außerdem ist der Meßwertaufnehmer zur Messung des Sauerstoffgehaltes
in Abgas und zur Messung des Druckes im Abgasrohr ausgebildet. Alternativ kann ein
Sensor zur optischen Erfassung des Flammentemperaturspektruns vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Meßgeber 26 fahrt eine kontinuierliche
Messung der Rauchgasdichte bzw. Rußdichte (bei olverbrennung) bzw. des CO-Wertes
(bei Gasverbr.nntmg) bzw. der Flammentemperatur durch. Zusätzlich dazu wird kontia
nuierlich der Restsauerstoffgehalt und der Druck des Abgases gemessen. Die jeweilige
Brennerlast wird zunächst durch den Stellmotor 14 zuluftseitig angesteuert, und
die Verbrennungsluftmenge wird abhängig von dem im Abgas gemessenen Sauerstoftwert
bzw. vorteilhafter in Abhängigkeit von der Rauchgasdichte bzw. Rußdichte bzw. in
Abhängigkeit des gemessenen CO-Wertes bzw. in Abhängigkeit der Flammentemperatur
korrigiert.
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Wenn durch weiteres Drosseln der Zuluftklappe die durch den Ventilator
5 zu gewährleistende Mischenergie abnimmt, sinkt hierdurch gleichzeitig der Brennraumdruck,
was sich weiter nachteilig auf die Verbrennung auswirkt. Mit Hilfe der abgas-
zeitigen
Druckregelung wird deshalb gleichzeitig mit der zuluftseitigen Drosselung der Brennraumdruck
nachgeregelt, so daß bei hierdurch ebenfalls sinkenden Zuluttsengen durch die erhaltengebliebene
Zuluftöffnung die Mischenergie des Ventilators erhalten bleibt und damit eine optimale
Verbrennung auch bei Kleinlast gewährleistet ist. Die Messungen der Sauerstoffwerte
im Abgas werden entweder direkt zur Regelung der Verbrennungsluft mit Hilfe der
zulurtseitigen und abgasseitigen Stelleinrichtungen herangezogen oder bei Regelung
der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der Rauchgas- bzw. Rußdichte oder des CO-Wertos
bzw. der Flammentemperatur zu gontrollzwecken vorne normen, derart, daß bei Überschreiten
oder Unterschreiten einer der jeweiligen Brennerlast zugeordneten Bandbreite des
Restsauerstoffwertes (die entsprechenden Werte sind der Regeleinheit vorgegeben)
die Zuluftklappe 7 in die Nullstellung (am weitesten geöffnete Stellung) gefahren
wird. Dieser Vorgang wird durch eine der Regeleinheit zugeordnete Zeitschalteinrichtung
(nicht dargestellt) überwacht. Wird infolge irgendeines Defektes, beispielsweise
am Stellmotor 8, ein Zurückfahren der Klappe 7 in die Nullstellung verhindert, so
wird durch eine der Regeleinheit zugeordnete Zeitschalteinrichtung (nicht dargestellt)
der Brenner 4 abgestellt und gleichzeitig eine Störmeldung abgegeben.
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