DE4037397A1 - Verfahren zur steuerung eines heizgeraetes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steue­ rung eines Heizgerätes mit einem Vormisch-Gasbrenner, der samt einem Wärmetauscher in einer im Inneren des gegen­ über der Umgebung, mit Ausnahme einer Luftzuführleitung, abgedichteten Gehäuses des Heizgerätes angeordneten und gegenüber diesem abgedichteten Kammer montiert ist, wel­ che Kammer mit einer Abgasleitung verbunden ist, wobei der Brenner über ein regelbares Gasdurchsatz-Stellglied beaufschlagt und ein den Brenner versorgendes, aus dem Inneren des Gehäuses ansaugendes Gebläse in seiner Dreh­ zahl abhängig vom Gasdurchsatz steuerbar ist und die Luftzuführleitung in eine im Inneren des Gehäuses ange­ ordnete Luftkammer mündet, die über ein Stellorgan mit dem Inneren des Gehäuses verbunden ist.

Bei solchen Heizgeräten ist es erforderlich, rund um die den Brenner enthaltende Kammer, in der sich aufgrund des Widerstandes, den der Wärmetauscher dem Abströmen der Ab­ gase entgegensetzt, ein Überdruck herrscht, einen Bereich vorzusehen, in dem ein Unterdruck herrscht, um im Falle einer Leckage der Kammer ein Austreten der Abgase in den Raum, in dem ein solches Heizgerät aufgestellt ist, zu verhindern.

Die Regelung solcher Heizgeräte erfolgt in der Weise, daß die Beaufschlagung des Brenners mit Gas und Luft dem je­ weiligen Wärmebedarf angepaßt wird. Das Mischungsverhält­ nis beider Gemischkomponenten, das durch die Luftzahl beschrieben wird, soll dabei nur wenig über dem stöchio­ metrischen Wert liegen und näherungsweise konstant sein beziehungsweise einem auf die jeweilige Wärmebelastung abgestimmten Wert entsprechen.

Zur Sicherung des optimalen Betriebes, aber auch aus sicherheits- und regelungstechnischen Gründen ist eine laufende Überwachung des Ist-Wertes der Luftzahl erfor­ derlich. Sie soll bei Abweichungen durch Korrektur der Gas- und beziehungsweise oder Luftdosierung eine Rückfüh­ rung auf den Soll-Wert bewirken oder, wo das nicht mög­ lich ist, den Brenner abschalten. Zur Anzeige des Ist- Zustandes werden Sensoren zur Messung des Sauerstoffan­ teiles im Rauchgas, der Brennraumtemperatur oder der Ge­ schwindigkeit im Ansaugstutzen verwendet. Nachteilig da­ bei sind vergleichsweise hohe Kosten und beziehungsweise oder die erhebliche Gefährdung der Funktion durch thermi­ sche und korrosive Belastungen.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei ei­ ner Verminderung der Brennerleistung der Strömungswider­ stand der in das Innere des Gehäuses zuströmenden Luft durch Verstellung des Stellgliedes zwischen Luftkammer und Gehäuseinnerem in vorgegebener Weise vergrößert und bei Anhebung der Brennerleistung ebenso verkleinert wird.

Dies ermöglicht es, bei allen Änderungen der Brennerlei­ stung den Innendruck im Gehäuse konstant zu halten. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß bei der mit der Verringerung der Brennerleistung verbundenen Reduzie­ rung des vom Gebläse geförderten Gemischvolumenstromes durch Konstanthaltung eines Teilbetrages der Summe aller Strömungswiderstände eine Verstimmung der Gebläsekennli­ nie.

Die Rückführung auf den Soll-Wert ist dann identisch mit der Rückführung der Verstimmung gegen Null. Sie wird da­ durch erreicht, daß bei Verkleinerung der Brennerleistung im Vergleich zum verstimmten Zustand ein zusätzlicher Wi­ derstand in der Luftzuführung zum Gebläseinneren erzeugt wird, bei Steigerung der Brennerleistung entsprechend umgekehrt. Voraussetzung ist die eindeutige Verknüpfung von Brennerleistung, Gebläsedrehzahl und Druckverlauf. Die Überschreitung des Stellbereiches am Stellglied kann zum Ausschalten des Brenners benutzt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Heizgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzuschla­ gen.

Bei einem Heizgerät zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens mit einem Vormisch-Gasbrenner, der samt einem Wärmetauscher in einer im Inneren des gegenüber der Umgebung, mit Ausnahme einer Luftzuführleitung, abge­ dichteten Gehäuses des Heizgerätes angeordneten und ge­ genüber diesem abgedichteten Kammer montiert ist, welche Kammer mit einer Abgasleitung verbunden ist, wobei der Brenner über ein regelbares Gasdurchsatz-Stellglied be­ aufschlagt und ein den Brenner versorgendes, aus dem In­ neren des Gehäuses ansaugendes Gebläse in seiner Drehzahl abhängig vom Gasdurchsatz steuerbar ist und die Luftzu­ führleitung in eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Luftkammer mündet, die über ein Stellorgan mit dem Inne­ ren des Gehäuses verbunden ist, wird daher vorgeschlagen, daß das Gasdurchsatz-Stellglied und der Gebläsemotor auf elektrische Signale aus einem Steuergerät ansprechen, das die Koppelung von Gas- und Luftstrom nach vorgegebenen Soll-Werten steuert.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, das Heizgerät auch im Teillastbereich optimal zu betreiben und einerseits den Brenner in dem geplanten Umfang mit Gas und Luft zu beaufschlagen, andererseits bei Grenzüberschreitung Risi­ ken zu vermeiden. Dabei ist es auch möglich, auf eigene Sensoren zu verzichten. Es genügt, die notwendigen Para­ meter entsprechend deren gegebenen Zusammenhang zu ändern.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Luftkammer mit dem Inneren des Gehäuses durch ein Stellglied verbunden ist, das direkt oder indirekt durch die Druckdifferenz zwi­ schen beiden Räumen gesteuert ist, wobei das Stellglied vorzugsweise durch ein Membranventil gebildet ist. In diesem Fall ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau einer Konstantdrucksteuerung, ohne daß es dazu einer Elektronik oder eigener Sensoren bedarf.

Weiter kann vorgesehen sein, daß das Stellglied mit Grenzwertgebern zum Abschalten des Brenners ausgestattet ist, wodurch auf einfache Weise ein Abschalten des Bren­ ners sichergestellt werden kann, wenn der Stellbereich des Stellgliedes nicht mehr für eine Rückführung auf den vorgesehenen Soll-Wert ausreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläu­ tert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Heizgerät,

Fig. 2 ein Steuerschema für das Gerät nach der Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Druckverhältnisse im Heizgerät nach der Fig. 1 und

Fig. 4 ein Belastungsdiagramm des Gerätes nach Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Heizgerät weist ein dichtes Gehäuse 20 auf, in dessen Innenraum 19 eine dichte Kammer 7 ange­ ordnet ist, in der der Brenner 6 und ein Wärmetauscher 8 angeordnet sind.

Diese Kammer 7 ist über die Abgasleitung 12 mit einem Ab­ gasschacht oder einer Auslaßöffnung verbunden. Diese Ab­ gasleitung 12 ist von einer Luftzuführleitung 9 umgeben, die in das Innere des dichten Gehäuses 20 mündet und zur Abgasleitung 12 koaxial angeordnet ist.

Weiter ragen eine Überwachungselektrode 14 zur Überwa­ chung der Brennerfunktion und eine Zündelektrode 13 in die Kammer 7, in die auch der Ausgang eines Gebläses 1 mündet, das Luft aus dem Innenraum des Gehäuses ansaugt und in die Kammer 7 fördert, in der sich ein Überdruck aufbaut, der durch den Widerstand bedingt ist, den der Wärmetauscher 8 dem Abströmen der Abgase entgegensetzt.

Da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Vormisch- Gasbrenner 6 vorgesehen ist, mündet in die Ansaugöffnung 21 des Gebläses 1 eine Gasdüse 5, die über ein über elek­ trische Signale verstellbares Gasstellglied 4, das in einer Gasleitung 3 angeordnet ist, beaufschlagt ist.

An dem Heizwasservorlauf 16 des Wärmetauschers 8 ist ein Vorlauftemperatursensor 15 angeordnet, der mit dem eben­ falls im Gehäuse 20 angeordneten Steuergerät 18 verbunden ist, an dem auch das Gasdurchsatz-Stellglied 4 und das Gebläse 1 angeschlossen sind, und von diesem mit Steuer­ signalen beaufschlagt werden.

Zur Regelung des Druckes im Gehäuseinnenraum 19 ist eine Luftkammer 10 vorgesehen, in die das Luftzuführrohr 9 un­ mittelbar mündet und die beispielsweise über ein Membran­ stellventil mit dem Innenraum 19 des Gehäuses 20 verbun­ den ist.

Bei einer Erhöhung des Soges des Gebläses 1 aufgrund ei­ ner Erhöhung der Leistung des Brenners 6 biegt sich die Membrane 22 des Membranstellventiles 11 stärker durch, wodurch sich der mit der Membrane 22 bewegungsschlüssig verbundene Ventilkörper 23 weiter vom Ventilsitz 24 ent­ fernt und daher der Strömungswiderstand beim Durchströmen der Luft durch das Membranstellventil 11 abnimmt. Dies führt zu einer Konstanthaltung des Druckes im Inneren 19 des Gehäuses 20, trotz der Tendenz des Gebläses 1 diesen, aufgrund der bei einer stärkeren Gasbeaufschlagung des Brenners erforderlichen Erhöhung der Drehzahl des Geblä­ ses und der damit verbundenen Verstärkung seiner Saugwir­ kung, abzusenken.

Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, verarbeitet das Steu­ ergerät 18 die alternativ von einem nicht dargestellten Raumthermostat und einem Außentemperatursensor kommenden Signale oder die von einem Heizwasser-Temperatursensor und einem Warmwasser-Temperatursensor kommenden Signale für die Steuerung des Brenners. Dabei werden das Gas­ stellventil 4 und das Gebläse 1 angesteuert, wobei die Ansteuerung dieser beiden Elemente entsprechend der Be­ triebskennlinie des Heizgerätes erfolgt, die in der Fig. 4 beispielsweise dargestellt ist und später näher erläu­ tert werden wird.

Weiter kann noch ein Gehäusedrucksensor (nicht darge­ stellt) im Inneren 19 des Gehäuses 20 vorgesehen sein, der mit einem im Steuergerät 19 angeordneten Komparator verbunden ist, der ein Luftstellventil, das wie das in der Fig. 1 dargestellte Membranstellventil 11 den Ein­ strömwiderstand der Luft variiert, entsprechend ansteuert.

Fig. 3 zeigt den Druckverlauf im Heizgerät, aus dem er­ sichtlich ist, daß an der Abgasseite ein Überdruck und an der Luftseite ein Unterdruck herrscht.

Die Leistung des Brenners 6 ist im wesentlichen von der Förderhöhe des Gebläses 1 abhängig, wobei vorausgesetzt wird, daß der dem Brenner 6 zugeführten Luft eine dem stöchiometrischen Verhältnis im wesentlichen entsprechen­ de Gasmenge zugesetzt wird.

Beim Betrieb des Brenners 6 herrscht, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, im Inneren 19 des Gehäuses 29 stets ein Un­ terdruck, der durch entsprechende Abstimmung der Gebläse­ förderhöhe mit den inneren und äußeren Strömungswider­ ständen, die das Gebläse 1 bei der Nennwärmebelastung im Betriebspunkt A (Fig. 4) zu überwinden hat, auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Maßgebend sind dafür die Widerstände in der Luftzuleitung, die Gebläsekennli­ nie sowie sicherheitstechnische Gesichtspunkte. So soll sich bei einer Laständerung der Druck im Inneren 19 des Gehäuses nicht wesentlich ändern.

Der Nennlastpunkt A des Gebläses 1 entspricht dem Schnittpunkt der Widerstandskennlinie AC des Heizgerätes mit der durch die Speisespannung U₁ und die Drehzahl n₁ des Gebläses definierten Gebläsekennlinie U₁, n₁.

Bei einer reduzierten Last x Q_NB, wobei Q_NB die Nennlast des Heizgerätes und x einen Faktor < 1 bedeutet, führt eine zur Laständerung proportionale Ansteuerung des Ge­ bläsemotors und des Gasdurchsatz-Stellgliedes zu den Be­ triebspunkten für das Gebläse, die auf der Linie A-E-E′-B liegen. Für sie gelten die folgenden Beziehungen:

Gegenüber dieser Gebläsekennlinie ist die Widerstands­ kennlinie des Heizgerätes, wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist, gegen größere Förderhöhen des Gebläses zu verschie­ ben, mit Ausnahme im Nennleistungspunkt A. Diese Ver­ schiebung ergibt sich aus der Forderung, daß bei einer Änderung des Gebläsevolumenstromes ein Teil des Gesamtwi­ derstandes, und zwar der Widerstand des in das Gehäusein­ nere 19 eingeführten Verbrennungsluftstromes, dargestellt durch den Gehäusedruck, konstant bleiben soll, während sich alle anderen Widerstandskomponenten entsprechend der Gleichung (2) verhalten. Die proportionale Anpassung der Gebläseansteuerung, insbesondere der Drehzahl des Geblä­ ses führt daher nicht auf den gewünschten Betriebspunkt D, sondern zu Punkt E′, für den die Beziehung
H_x′ < H_x,
gilt. Dies bedeutet, daß der Gehäuseunterdruck kleiner als erwartet ist.

Diese Abweichung führt zum vorzeitigen Abschalten durch den bei solchen Heizgeräten üblicherweise vorhandenen Differenzdruckwächter oder zu einer Einengung des Modula­ tionsbereiches der Leistung des Heizgerätes.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dies dadurch vermieden, daß das Gebläse bei Laständerungen nicht pro­ portional zu x, sondern proportional zu x + x angesteu­ ert wird. Das Korrekturglied x ist in Abhängigkeit vom gewünschten Gehäuseunterdruck so zu bestimmen, daß die durch den Punkt D gehende Gebläsekennlinie (U_x, n_x) er­ reicht wird.

Auf der für den neuen Belastungszustand angesteuerten Ge­ bläsekennlinie U_x, n_x muß der Gebläsebetriebspunkt vom Punkt E nach dem Punkt D verschoben werden. Dies wird da­ durch erreicht, daß der Widerstand des Luftstellgliedes 11, das den Durchlaß zwischen der Luftkammer 10 und dem Inneren 19 des Gehäuses 20 steuert, angehoben wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung eines Heizgerätes mit einem Vormisch-Gasbrenner, der samt einem Wärme­ tauscher in einer im Inneren des gegenüber der Umgebung, mit Ausnahme einer Luftzuführleitung, abgedichteten Gehäuses des Heizgerätes angeord­ neten und gegenüber diesem abgedichteten Kammer montiert ist, welche Kammer mit einer Abgaslei­ tung verbunden ist, wobei der Brenner über ein regelbares Gasdurchsatz-Stellglied beaufschlagt und ein den Brenner versorgendes, aus dem Inne­ ren des Gehäuses ansaugendes Gebläse in seiner Drehzahl abhängig vom Gasdurchsatz steuerbar ist und die Luftzuführleitung in eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Luftkammer mündet, die über ein Stellorgan mit dem Inneren des Gehäuses ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ ner Verminderung der Brennerleistung der Strö­ mungswiderstand der in das Innere des Gehäuses zuströmenden Luft durch Verstellung des Stell­ gliedes zwischen Luftkammer und Gehäuseinnerem in vorgegebener Weise vergrößert und bei Anhe­ bung der Brennerleistung ebenso verkleinert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druck im Gehäuseinneren des Heizge­ rätes bei Änderung der Brennerleistung auf einem Soll-Wert konstant gehalten wird.

3. Heizgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Vormisch-Gasbren­ ner, der samt einem Wärmetauscher in einer im Inneren des gegenüber der Umgebung, mit Ausnahme einer Luftzuführleitung, abgedichteten Gehäuses des Heizgerätes angeordneten und gegenüber die­ sem abgedichteten Kammer montiert ist, welche Kammer mit einer Abgasleitung verbunden ist, wo­ bei der Brenner über ein regelbares Gasdurch­ satz-Stellglied beaufschlagt und ein den Brenner versorgendes, aus dem Inneren des Gehäuses an­ saugendes Gebläse in seiner Drehzahl abhängig vom Gasdurchsatz steuerbar ist und die Luftzu­ führleitung in eine im Inneren des Gehäuses an­ geordnete Luftkammer mündet, die über ein Stell­ organ mit dem Inneren des Gehäuses verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasdurch­ satz-Stellglied (4) und der Gebläsemotor (2) auf elektrische Signale aus einem Steuergerät (18) ansprechen, das die Koppelung von Gas- und Luft­ strom nach vorgegebenen Soll-Werten steuert.

4. Heizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Luftkammer (10) mit dem Inneren des Gehäuses (20) über ein Stellglied (11) verbunden ist, das direkt oder indirekt durch die Druck­ differenz zwischen beiden Räumen gesteuert ist.

5. Heizgerät nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stellglied (11) ein Membran­ ventil ist.

6. Heizgerät nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stellglied (11) mit Grenzwert­ gebern zum Abschalten des Brenners ausgestattet ist.