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Regelung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brenn-
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stoffbeheizten Wärmequelle Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf eine Regelung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer brennstoffbeheizten Wärmequelle
gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Aus der DE-PS 2510189 ist eine Meßsonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes
in einem Rauchgaskanal bekanntgeworden, wobei diese Sonde Teil eines Reglers zum
Regeln des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses durch Verändern der Luftmenge in Abhängigkeit
des Sauerstoffgehaltes der Rauchgase vorgesehen ist, hierbei findet eine Anpassung
an unterschiedliche Betriebszustände durch Verändern der Menge des zugeführten Brennstoffs
statt.
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Es hat sich herausgestellt, daß diese Regelung des Brennstoff-Luftverhältnisses
lediglich in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck in den Rauchgasen sehr schwierig
zu
beherrschen ist und daß außerdem die Sauerstoffpartial-Druckfühler relativ teuer
sind. Aus diesem Grunde werden derartige von einer Sauerstoffsonde gesteuerte Regler
nur bei großindustriellen Feuerungsanlagen verwendet.
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Gerade in der Heizungstechnik besteht das Bedürfnis, solche Brennstoff-Luftverhältnisregler
auch bei Feuerungsanlagen kleiner Leistung bis herab zu etwa 4 kW einzusetzen. Hierbei
spielt natürlich der Preis der Regeleinrichtung im Hinblick auf die Kosten der gesamten
Heizungsanlage eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Die Regelung muß daher preiswert
und auch betriebssicher sein, da man vom privaten Betreiber der Feuerungsanlage
nicht die Sachkenntnis des Betreibers einer großindustriellen Feuerungsanlage erwarten
kann.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen der
nebengeordneten Ansprüche.
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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 vier der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
Figur eins eine Prinzipdarstellung eines
Umlauf-Gas-Wasserheizers mit der Regelung, Figur zwei einen Umlauf-Gas-Wasserheizer
mit Abgasgebläse und Figur drei einen Kessel.
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Der Umlauf-Gas-Wasserheizer 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dessen Innenraum
3 ein Heizschacht 4 angeordnet ist, der an seiner Oberseite von einem Lamellenblock-Wärmetauscher
5 abgeschlossen ist. Der Wärmetauscher 5 ist über eine mit einem Vorlauftemperaturfühler
6 versehene Vorlaufleitung 7 mit einer Vielzahl parallel und/oder in Serie geschalteter
Heizkörper oder auch einem Brauchwasserspeicher verbunden, der seinerseits rücklaufseitig
mit einer Rücklaufleitung 8 verbunden ist, die unter Zwischenschaltung einer Umwälzpumpe
9 wieder an den Wärmetauscher 5 herangeführt ist. Der Vorlauftemperaturfühler 6
ist über eine Meßleitung 10 mit einem Regler 11 verbunden. An der Oberseite des
Gehäuses 2 ist eine Rohrkombination 12 angeschlossen, die aus zwei konzentrischen
Rohren besteht. Das innenliegende Rohr 13 ist das Abgasrohr, das in einem ringförmigen
Abstand 14, der den Fris.chluftzufuhrkanal darstellt, mit dem Außenrohr 15 verbunden
ist. Das Abgasrohr 13 steht mit einem Auslaßstutzen 16 eines von einem elektrischen
Antriebsmotor 17
beaufschlagten Abgasgebläses 18 in Verbindung,
dessen Ansaugstutzen mit dem Innenraum 20 des Heizschachtes 4 in Verbindung steht.
Der Gebläsemotor 17 ist über eine Stelleitung 19 mit dem Regler 11 verbunden. Im
Innenraum des Abgasrohres 13 ist ein Sauerstoffpartial-Druckfühler 21 angeordnet,
der über eine Leitung 22 mit dem Regler 11 verbunden ist. In den Ringkanal 14 reicht
vom Außenrohr 15 eine Blende 23, die über eine pneumatische Meßleitung 24 mit einem
Membranstellmotor 25 verbunden ist, der über eine Stell stange 26 ein Proportionalventil
27 beaufschlagt, über das ein atmosphärischer Gasbrenner 28 über eine Leitung 29,
in der das Ventil 27 angeordnet ist, gespeist wird.
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Statt des dargestellten Umiaufwasserheizers kann übrigens auch ein
Durchlaufwasserheizer zur Bereitung warmen Gebrauchswassers oder ein Kessel vorgesehen
sein. Schließlich wäre auch die Anwendung der Regelung bei einem gasbeheizten Speicher
möglich. Als Brennstoff käme übrigens neben Gas auch U1 in Frage, der Brenner 28
kann auch als Gebläsebrenner für beide Brennstoffe ausgebildet sein.
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Im Abgasrohr 13 ist stromab des Sauerstoffühlers 21 ein Kohlenmonoxydfühler
30 vorgesehen, der über eine Meßleitung 31 mit dem Regler 11 verbunden ist.
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Am Regler 11 ist ein Sollwertgeber 32 vorgesehen, bei dem es sich
um einen fest einstellbaren Sollwertgeber handeln kann, es ist aber auch möglich,
diesen Sollwert gleitend vorzugeben, beispielsweise über einen in Abhängigkeit von
der Außentemperatur geführten Sollwert.
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Die eben beschriebene Regeleinrichtung weist folgende Funktion auf:
Ausgehend von einem außentemperaturabhängig geführten Regler, steht somit am Sollwertgeber
32 ein Sollwert für die Vorlauftemperatur an, der nach Maßgabe der herrschenden
Außentemperatur geführt ist. Der Vorlauftemperaturfühler 6 meldet den Istwert der
Vorlauftemperatur über die Meßleitung 10 an den Regler 11. Nach Maßgabe der herrschenden
Regelabweichung wird die Gebläsedrehzahl des Motors 17 nachgesteuert, um einen bestimmten
Luftdurchsatz durch den Innenraum 20 des Heizschachtes 4 zu erzielen. Dieser Luftdurchsatz
passiert auch die Blende 23 und erzeugt ein Differenzdrucksignal, das über die Meßleitung
24 am Membranstellmotor 25 ansteht. Mit diesern Membrandruck-Stellsignal wird der
Uffnungsgrad des Stetigventils 27 gesteuert, so daß nach Maßgabe des Luftdurchsatzes
ein bestimmter Brennstoffdurchsatz in der brennstoffbeheizten Wärmequelle erfolgt.
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In diese Vorlauftemperaturregelung greift nun die Verhältnisregelung
für
Brennstoff/Luft ein, und zwar wie folgt: Durch die beiden Meßfühler 21 und 30 stehen
am Regler 11 Signale für den Restsauerstoffgehalt der Abgase und den Kohlenmonoxydgehalt
der Abgase an. Stellgröße für diese Regelung ist ausschließlich der Luftdurchsatz
durch einen Innenraum 20. Dieser Luftdurchsatz kann variiert werden, indem ein Bypaß
zum Innenraum 20 des Heizschachtes 4 vorgesehen ist, der über eine nicht dargestellte
Bypaßklappe mehr oder weniger geschlossen werden kann. Somit wird bei konstant bleibender
Drehzahl des Abgasgebläses ein mehr oder weniger großer Teil des Luftstroms nicht
durch den Innenraum 20 der brennstoffbeheizten Wärmequelle, sondern an ihm vorbei
gefördert. Das Signal für den Uffnungsgrad des Gasventils ändert sich hierbei nicht,
der Regler arbeitet nun durch Variation des Luftdurchsatzes. Das Gerät wird mit
geschlossener Bypaßklappe, also mit'maximalem Luftdurchsatz angefahren, was ein
Minimum beziehungsweise kein CO bedeutet. Der Regler nimmt automatisch den Luftdurchsatz
zurück durch Uffnen der Bypaßklappe, was ein Anwachsen des CO-Wertes bedeutet, bis
ein vorgebbarer Maximalwert für Kohlenmonoxyd erreicht wird. Hierzu wird der zugehörige
Sauerstoffwert abgefragt und der Bypaßluftstrom auf einen solchen Wert gestellt,
daß zu dem gemessenen Istwert des Sauerstoffs
eine Konstante addiert
wird. Durch diese Verfahrensweise wird sichergestellt, daß der sich dann einstellende
CO-und 02-Wert im sicherheitstechnisch vertretbaren und feuerungstechnisch optimalen
Bereich liegt.
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Es versteht sich, daß diese Brennstoff-Luftverhältnisregelung erst
verzögert nach Inbetriebnahme einsetzen kann und daß davor zunächst ein zu n Brennstoff-Luftverhältnis
weit über dem stöchiometrischen Bereich gefahren wird.
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Dies kann über ein Zeitsignal nach Inbetriebnahme geschehen.
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Statt mit einer Bypaßklappe zu arbeiten, könnte man auch als Variante
zur Erfindung zum Inbetriebnehmen der brennstoffbeheizten Wärmequelle die Gebläsedrehzahl
auf ein Maximum bringen und im zeitlichen Abstand davon den Ventilator intervallmäßig
über eine bestimmte Zeitspanne androsseln, wobei hierbei der Kohlenmonoxydgehalt
über den Meßfühler 3C abgefragt wird. Wird nun infolge Annäherung des Luftüberschusses
an das stöchiometrische Optimum ein ~bestimmter CO-Gehalt als festgelegte untere
wählbare Grenze erreicht, wird die Drehzahl des Gebläsemotors um eine Konstante
erhöht, um sicherheitstechnisch vertretbare und feuerungstechnisch optimale Betriebsverhältnisse
einzustellen. Bei dieser Regelung kann es geschehen, daß durch physikalische Zustandsänderungen
in
der Luft (Variation der Feuchte, des barometrischen Luftdrucks
und der Lufteinlaßtemperatur) unabhängig von der Gebläsedrehzahl ein Luftmangel
oder ein Luftüberschuß auftritt. Ein LuftüberschuD führt hierbei zu einem größeren
Sauerstoffrestgehalt der Abgase, ein Luftmangel zu einem vergrößerten CO-Gehalt.
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Weiterhin kann es geschehen, daß durch physikalische Zustandsänderungen
des speisenden Gases, zum Beispiel Heizwertänderung oder Gasdruckerhöhung, ein Gasüberschuß
beziehungsweise ein Gasmangel auftritt. Ein Gasüberschuß wirkt sich ebenso aus wie
ein Luftmangel, während sich ein Gasmangel genauso äußert wie ein Luftüberschuß.
Schließlich kann als Störgröße auch noch eine Laständerung des Gerätes, also der
brennstoffbeheizten Wärmequelle eintreten, beispielsweise wenn die Außentemperatur
variiert oder vom Verbraucher Heizkörper zu- oder abgeschaltet werden. Im Falle
des irgendwie verursachten Luftüberschusses überschreitet der 02-Wert die obere
Grenze der Bandbreite des Sollwertes für die Verhältnisregelung, worauf ein neues
Regelspiel stattfindet, indem durch Verringern des Luftüberschusses der CO-Gehalt
zum Wachsen gebracht wird, bis die vorgegebene Grenzschwelle erreicht wird. Beim
Erreichen dieser Grenzschwelle wird dann wieder zum dann gemessenen Sauerstoffrestwert
eine Konstante addiert und dieses Signal in ein Stellsignal
für
eine bestimmte Ventilatordrehzahl oder Stellung der Bypaßklappe umgesetzt und die
Feuerstätte mit dem daraus resultierenden Luftstrom betrieben. Tritt dagegen ein
Luftmangel oder Gasüberschuß auf, so läuft die Verbrennung automatisch in eine Erhöhung
des CO-Gehaltes ein.
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Diese Erhöhung des CO-Gehaltes führt über den Regler zu einem Nachstimmen
in Richtung auf einen vergrößerten 02-Gehalt beziehungsweise auf ein Unterschreiten
des festgelegten CO-Wertes. Ist der kritische Punkt erreicht, erfolgt wieder der
Zuschlag eines bestimmten Sauerstoffwertes in Form einer Konstante. Bei der beschriebenen
Regelung sind noch einige sicherheitstechnische Varianten möglich: So kann im Regler
vorgesehen sein, daß eine bestimmte Mindestdrehzahl für den Ventilator nicht unterschritten
werden darf. Fordert die Regelabweichung eine solche unter dem Minimum liegende
Ventilatordrehzahl, so schaltet der Regler die brennstoffbeheizte Wärmequelle ab.
Das Minimum der Gebläsedrehzahl wird empirisch bei Teillastbetrieb ermittelt. Weiterhin
ist es möglich, daß bei überschreiten des frei wählbaren Maximalgehaltes an Kohlenmonoxyd
der Brenner über den Regler automatisch abgeschaltet wird.
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Schließlich ist es möglich, den Kohlenmonoxyd- sowie
Sauerstoffgehalt
über eine logische ODER-Verknüpfung gegenseitig zu überwachen, das bedeutet, daß
man bei Fehlen eines Sondengrundsignals für den Sauerstoffgehalt oder den Kohlenmonoxydgehalt
über den Regler die Wärmequelle zum Abschalten bringen kann. Weiterhin kann bei
undefinierten Zuständen. wenn beispielsweise ein hoher CO-Gehalt bei gleichzeitig
hohem 02-Gehait signalisiert wird, was verbrennungstechnisch nicht möglich ist,
eine Abschaltung vorgenommen werden. Ein solcher Zustand könnte zum Beispiel durch
eine defekte Sonde erzeugt werden. Schließlich kann bei Oberschreiten der vorgegebenen
Minimum-02- beziehungsweise Maximum-CO-Werte eine Abschaltung erfolgen.
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Es wäre auch möglich, eine zusätzlichen Kohlenmonoxydfühler vorzusehen,
der gestrichelt eingezeichnet ist.
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Hierbei könnte man die beiden von den CO-Fühlern gemessenen werte
miteinander vergleichen und durch intervailmäßiges Verschalten verg leichen Solche
Kohlenmonoxydsensoren sind relativ preiswert, und man könnte das exakte Arbeiten
dieser Kohlenmonoxydfühler laufend prüfen. Hierbei ist auc eine Vorbeugung gegen
Ausfall beziehungsweise Alterung des CO-Sensors möglich Ein Umlauf-Gas-Wasserheizer
101 gemäß Figur zwei weist ein Gehäuse t02 auf, das in seinem Inneren einen Wärmetauscher
103
besitzt, der rücklaufseitig mit einer Um--wälzpumpe 104 versehene Leitung 105 und
vorlaufseitig an eine zu einer Vielzahl parallel und/ouer in Serie liegender Heizkörper
106 führende Vorlaufleitung 107 angeschlossen ist.
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Das Innere des Gehäuses 102 bildet eine Feuerstätte 108, die von einem
atmosphärischen Gasbrenner 109 beheizt ist, der über eine mit einem proportionalen
Magnetventil 110 versehene Gaszuleitung 111 gespeist ist. Dem Magnetventil 110 ist
ein Stellmotor 131 zugeordnet,der über eine Stelleitung 112 mit einem Stellgrößenwandler
113 verbunden ist, der seinerseits über eine Leitung 114 mit einem Regler 115 verbunden
ist. Dieser Regler 115 ist sowohl der -bereits e-rwähnte Brennstoff-Luftverhältnisregler
als s auch ein Rucklauftempe-raturreglers Zu letzterer; Zweck ist in der Rücklauflelt-ung
105 ein Temperaturfühler 115 vorgesehen, der über eine Meßleitung 117 auE den Regler
115 geschaltet ist. An den Temperaturregler des Reglers 115 ist gl-e-ichfalls über
eine Leitung 118 ein Temperatur-Sollwertgeber 119 angeschlossen Oberhalb des Wärmetauschers
103 ist innerhalb der Feuerstätte 107 ein CO-Fühler 120 angeordnet, der über eine
Meßleitung 121 auf den Brennstoff-Lufteverhältnisregler des Reglers 115 geschaltet
ist. Für den Kohlenmonoxydmaximumwert ist ein Sollwertgeber 122 vorgesehen, der
über eine Leitung 123
mit dem Brennstoff-Luftverhältnisregler verbunden
ist.
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Für eine Abschaltfunktion beim Oberschreiten einer weiteren Kohlenmonoxydmaximalschwelle
ist ein weiterer Sollwertgeber 124 vorgesehen, der über eine Leitung 125 mit dem
Brennstoff-Luftverhältnisregler verbunden ist. Anstelle eines CO-Sensors kann auch
ein C02-Sensor verwendet werden. Dabei ist für den Kohlendioxydmaximumwert ein Sollwertgeber
122 vorgesehen. Eine Abschaltfunktion erfolgt beim Oberschreiten einer weiteren
Kohlendioxydmaximalschwel le.
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An das Gehäuse 102 schließt sich eine Abgasabfuhrleitung 126 an, in
der ein Gebläse 127 angeordnet ist, dessen Welle 128 von einem Motor 129 angetrieben
ist. Der Motor 129 ist in seiner Drehzahl proportional variierbar, er ist über eine
elektrische Stelleitung 130 mit dem Stellgrößenwandler 113 verbunden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur zwei besitzt folgende Funktion:
Unterschreitet die Rücklauftemperatur des über die Elemente 103, 107, 106, 104 und
105 umgewälzten Wassers den am Sollwertgeber 119 eingestellten Sollwert, so liegt
ein Wärmeanforderungssignal vor. Dieses Wärmeanforderungssignal könnte im übrigen
auch als Funktion der Außentemperatur oder als Funktion der Raumtemperatur erzeugt
werden.
Im ersteren Falle wäre dann der vom Sollwertgeber 119 vorgegebene Sollwert von der
Außentemperatur geführt, im zweiten Fall wäre der Istwertgeber 116 nicht der Rücklauftemperatur,
sondern der Raumtemperatur ausgesetzt. Wesentlich ist jedoch die Erzeugung eines
Wärmeanforderungssignals, das die brennstoffbeheizte Wärmequelle 101 in Betrieb
setzt. Gemessen an der Größe der Regelabweichung resultiert im Temperaturregler
des Reglers 115 eine Stellgröße, die über die Leitung 114 auf den Stellgrößenwandler
113 gegeben wird. Ober den Stellgrößenwandler wird über die Leitung 112 dem Stellmotor
111 für das Proportionalmagnetventil ein Proportionalsignal gegeben, mit dem ein
bestimmter Brennstoffdurchsatz zum atmosphärischen Gasbrenner 109 erzeugt wird Somit
tritt am Brenner 109 Gás in einem bestimmten Durchsatz auf, das gezündet wird und
verbrennt. Die zur Verbrennung notwendige Luft wird an der Unterseite des Gehäuses
102 aus dem Aufstellungsraum der brennstoffbeheizten Wärmequelle entnommen. Das
Gas verbrennt, die Abgase beheizen den Wärmetauscher 109 und damit das Umlaufwasser.
Die stromab des Wärmetauschers 103 austretenden Abgase werden vom Abgasventilator
127 angesaugt und abgeführt, die Ventilatordrehzahl und damit der Ventilatordurchsatz
entspricht dem Gasdurchsatz, da die Ventilatordrehzahl, die über die Leitung 130
vorgegeben
wird, von dem Gasdurchsatzsignal abgeleitet ist. Dies
kann über eine Frequenz- oder Phasenanschnittsteuerung geschehen. Es könnte auch
daran gedacht werden, einen variablen Widerstand in den Stromkreis für den Antriebsmotor
des Ventilators einzuschleifen. Gleichermaßen wäre es möglich, den Durchtrittsquerschnitt
für den Ventilator über eine Drosselblende zu variieren und den Ventilator mit konstanter
Leistung durchlaufen zu lassen. Wesentlich ist nur, daß der Luftdurchsatz zum Brenner
109 variiert wird. Dies könnte im übrigen auch durch ein Zuluftgebläse geschehen
oder durch eine Blende in einem Zuluftstutzen, deren Querschnitt verändert werden
kann.
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Nachdem die Verbrennung einen stabilen Zustand erreicht hat, also
nach Ablauf einer bestimmten Zeit, wird über den Kohlenmonoxydfühler 120 und die
Leitung 121 ein Istwert-Signal über die Gaszusammensetzung des Abgases auf den Brennstoff-Luftverhältnisregler
des Reglers 115 gegeben und mit einer am Sollwertgeber 122 einstellbaren Maximalschwelle
verglichen. Liegt der Kohlenmonoxydanteil oder Kohlendioxydanteil über diesem Maximalwert,
so veranlaßt der Regler über die Leitung 114 ein Stellsignal zum Stellgrößenwandler
113, das aber nur auf den Gasdurchsatz zur brennstoffbeheizten Wärmequelle Einfluß
nimmt, der Luftdurchsatz bleibt unverändert. Der Gasdurchsatz wird so lange zurückgenommen,
und zwar stetig linear, bis die
Regelabweichung zu Null wird, das
heißt, bis der Kohlenmonoxydanteil beziehungsweise der Kohlendioxydanteil der Abgase
unter den kritischen vorgegebenen Werten gesunken ist. Läßt sich dies trotz sehr
starken Absenkens des Gasdurchsatzes nicht oder nicht in einer ausreichenden Zeitspanne
erreichen, so tritt eine Differenzbildung zu dem zweiten Sollwertgeber 124 in Tätigkeit,
bei dieser Tätigkeit wird das Gasventil 110 vollständig geschlossen, die Verbrennung
unterbrochen. Dieser Fall läßt auf eine nachhaltige Störung der Verbrennung schließen,
was eine Entriegelung der brennstoffbeheizten Wärmequelle durch einen Fachmann notwendig
macht. Beispielsweise kann hier die Abgasleitung oder die Luftzuführung so gestört
sein, daß eine nahezu stöchiometrische Verbrennung unmöglich wird.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur drei handelt es sich statt eines
Gas-Wasserheizers um einen Kessel 114, der über die Vorlaufleitung 107 beziehungsweise
Rücklaufleitung 105 an eine Zentralheizungsanlage oder Fußbodenheizung angeschlossen
ist. Es könnte sich hier auch um einen reinen Durchlauferhitzer handeln, der warmes
Wasser zu sanitären Zwecken bereitet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur drei
besitzt dieser Kessel einen atmosphärischen Brenner 109, es könnte sich ebensogut
um einen Gebläsebrenner handeln. Ober eine elektronische Druckdose 141 wird der
Brennerdruck
zwischen dem Brenner 109 und dem Magnetventil 110
erfaßt und in ein elektrisches Meßsignal umgesetzt, das über die Leitung 142 dem
Regler s 115 zugeführt ist. Dieses Drucksignal ist proportional dem Gasdurchsatz
zum Kessel.
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Der Kessel weist kein Abgasgebläse auf, dafür aber eine Zulufteintrittsöffnung
143 an der Unterseite, die über ein System von Abdeckblechen 144, die über einen
Stellmotor 145 gegeneinander verschiebbar sind, mehr oder weniger abgedeckt werden
kann. Durch die Stellung dieser Abdeckbleche 144 kann demgemäß die Luftzufuhr zur
Feuerstätte 108 beeinflußt werden.
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Die übrigen Elemente der Figur drei entsprechen denen der Figur einsb
Die Arbeitsweise der Regelung ist analog, nur kann hier das Magnetventil 110 erheblich
einfacher aufgebaut werden, da über den Meßwertgeber 141 der Brennerdruck und damit
exakt der Gasdurchsatz erfaßt werden kann.
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