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Verfahren zur Einstellung von Betriebsparametern an einer Feuerungseinrichtung, insbesondere an einem Gasbrenner mit Gebläse, wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur (Tist) von dem Wert der Luftzahl (λ) abhängt und bei dem Wert λ1 = 1 ein Maximum (Tmax) aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Feuerungseinrichtung, insbesondere einen Gasbrenner, der zur Durchführung des Verfahrens angepasst ist.
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Im Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer für die Bereitung von Warmwasser in einem Kessel oder zur Bereitstellung von Heizwärme eingesetzt. In den jeweiligen Betriebszuständen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere die Leistungsabgabe des Brenners, üblicherweise als Brennerbelastung bezeichnet, und die von der Brennerflamme erzeugte Temperatur.
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Die Brennerbelastung wird im Wesentlichen durch die Einstellung der Menge von Verbrennungsluft und des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft bestimmt. Die Einstellung des Mischungsverhältnisses erfolgt, insbesondere bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch ein pneumatisches Gasregelventil (Prinzip des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Reglung werden Drücke oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen gemessen. Diese Größen werden als Steuergrößen für das Gasregelventil verwendet. Nachteilig an der pneumatischen Regelung ist jedoch insbesondere, dass empfindliche mechanische Bauteile eingesetzt werden müssen, die auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders bei niedrigen Arbeitsdrücken kommt es daher zu Ungennauigkeiten. Außerdem ist der Aufwand bei der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten pneumatischen Gasregelventile wegen der hohen Präzisionsanforderungen beachtlich. Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen der Gasart und -qualität nicht flexibel reagiert werden. Um gewünschte Anpassungen der Gaszufuhr dennoch vornehmen zu können, müssen zusätzliche Einrichtungen, z. B. Düsen und Blenden gasartenabhängig bereitgestellt werden, was jedoch zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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Bei einer elektronischen Steuerung kann hingegen ein einfach steuerbares Gasregelventil, etwa mit pulsweitenmodulierter Spule oder Schrittmotor, eingesetzt werden, um in Verbindung mit einem drehzahlsteuerbaren Gebläse die gewünschte Luftmenge und das gewünschte Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen (elektronischer Verbund). Dabei kann auf Änderungen der Gasqualität flexibel reagiert werden.
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Bei vorgegebener Luftmenge ist das Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft so einzustellen, dass das Gas möglichst vollständig und sauber verbrennt. Zur Charakterisierung des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft wird typischerweise die Luftzahl λ verwendet. Sie ist definiert als das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretisch für optimale stöchiometrische Verbrennung erforderlichen Luftmenge. Zu einer Optimierung der Abgaswerte (CO, CO2) werden Gasbrenner typischerweise mit Luftüberschuss betrieben. Der Sollwert für die Luftzahl λs liegt für hygienisch optimale Verbrennung bei 1,3. Beim Betrieb eines Gasbrenners mit elektronischem Verbund ist sicherzustellen, dass die Luftzahl λ bei den unterschiedlichen Brennerbelastungen immer möglichst nahe am Sollwert λs liegt. Zusätzlich ist zu beachten, dass sich die Betriebsbedingungen nach der Inbetriebnahme des Geräts ändern können und dann die Parameter der Verbrennungsregelung entsprechend angepasst werden müssen.
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In der
DE 100 45 270 C2 ist eine Feuerungseinrichtung mit einer Einrichtung zur gesteuerten Erzeugung eines Brennstoff-Luftgemisches mit einstellbarem Brennstoff/Luft-Verhältnis und einstellbarem Volumenstrom beschrieben, bei der mittels einer Steuerungseinrichtung die Größe des an den Brenner gelieferten Brennstoffstromes und/oder des Verbrennungsluftstromes anhand der erfassten Flammentemperatur festgelegt wird.
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In der
EP 770 824 B1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe einer Ionisationselektrode ein Kalibrierzyklus zum Nachzustellen des elektrischen Sollwerts der Ionisationselektrode durchlaufen wird. Dadurch sollen Änderungen der thermischen Kopplung zwischen der Ionisationselektrode und dem Gasbrenner, die beispielsweise auf Grund von Verschleiß, Verbiegen und auf Grund von Verschmutzungen entstehen, ausgeglichen werden.
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Mit diesem Verfahren, das alleine auf das Signal der Ionisationselektrode zurückgreift, ist es zwar möglich das Ionisationssignal für λ = 1 genau zu bestimmen. Allerdings kann der Sollwert für die Luftzahl anschließend nicht genau eingestellt werden, da zum Beispiel die Anlagenkennlinie unberücksichtigt bleibt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Parameter der Verbrennung an geforderte Brennerbelastungen einfach und zuverlässig eingestellt werden können. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6.
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Bei dem Verfahren zur Einstellung von Betriebsparametern an einer Feuerungseinrichtung, insbesondere an einem Gasbrenner mit Gebläse, wobei die von der Feuerungseinrichtung erzeugte Temperatur (Tist) von dem Wert der Luftzahl (λ) abhängt und bei dem Wert λ1 = 1 ein Maximum (Tmax) aufweist, werden die folgende Schritte durchgeführt:
- • Einsteuern eines vorgegebenen Luft-Massenstroms (mL);
- • Ermitteln des für die Temperatur (Tmax) zugehörigen Gasmassenstroms (mGTmax);
- • Festlegen eines Sollwerts der Luftzahl (λhy) für eine gewünschte hygienische Verbrennung;
- • Einsteuern der gewünschten hygienischen Verbrennung durch Erhöhen des Luft-Massenstroms (mL) um den Faktor (λhy) bei konstanter Zufuhr des Gasmassenstroms (mGTmax) unter Nutzung eines Luftmassenstromsensors.
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Die sich dabei ergebende Ist-Temperatur wird registriert.
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Ausgehend von einem zufällig oder zuletzt eingestellten Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff wird die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge bei konstanter pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge kontinuierlich oder schrittweise verändert. Durch Ermittlung und Erfassung der im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessenen Temperatur wird die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge so eingestellt, dass die gemessene Temperatur ein Maximum annimmt. Anschließend wird die pro Zeiteinheit zugeführte Luftmenge unter Beibehaltung der vorher eingestellten Brennstoffmenge unter Nutzung des Luftmassenstromsensors um den Faktor λhy erhöht. Auf diese Weise kann für jede gewünschte Brennerbelastung bei unterschiedlichen Gasqualitäten, aber auch bei Veränderung von Einstellungen bzw. bei einer Änderung der Charakteristika der am Gasbrenner angeordneten Sensoren, der Sollwert der Luftzahl für hygienisch optimale Verbrennung genau, sicher und zuverlässig eingestellt werden.
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Aus konstruktionsbedingten Gründen kann es möglich sein, dass mit der Erhöhung der Luftmenge zwangsläufig auch eine Erhöhung der Gasmenge einhergeht. In einem solchen Fall kann eine konstruktiv geeignet gestaltete Zumischungsgeometrie die Erhöhung der Gasmenge auf einen vernachläßigbaren Wert reduzieren.
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Durch Verwendung von Massenstromsensoren im Gasmassenstrom kann jedoch ohne konstruktive Anpassung eine Steuereinrichtung den Gasmassenstrom durch eine entsprechende Beaufschlagung des Gasventils auf den bei Tmax gefundenen Wert mGtmax zurückstellen.
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Schließlich ist es auch möglich, den erhöhten Gasmassenstrom rechnerisch zu ermitteln und die Luftzahl λhy entsprechend höher einzustellen. Auch kann daran gedacht werden, die Gasmenge um den errechneten Wert zu reduzieren, was jedoch ein höchst genaues Ventil erfordert.
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Insbesondere bei Schwankungen der Qualität des Verbrennungsgases sollte eine Neueinstellung der Luftzahl vorgenommen werden, um die hygienisch optimale Verbrennung sicherzustellen. Ein Nachstellen der Luftzahl kann dabei beispielsweise in periodischen Zeitabständen, bei einem Lastwechsel, beim Betriebsstart, oder bei einer Wartung des Geräts durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung, insbesondere ein Gasbrenner, ist zur Durchführung eines der oben genannten Verfahren angepasst.
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Insbesondere weist die Feuerungseinrichtung einen Temperatursensor im Wirkungsbereich der Brennerflamme der Feuerungseinrichtung auf. Der Temperatursensor kann dabei im Flammenkern, am Flammenfußpunkt, an der Flammenspitze, jedoch auch in einiger Entfernung von der Flamme, beispielsweise am Brennerblech selbst, angeordnet sein.
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Außerdem weist die Feuerungseinrichtung bevorzugt ein Gasventil mit einem Stellglied, insbesondere mit einem Schrittmotor, einer pulsweitenmodulierten Spule oder mit einer durch eine elektrische Größe gesteuerten Spule, auf. Da das Verfahren insbesondere für den elektronischen Verbund geeignet ist, können die genannten Ventile, die einfach und präzise betätigbar sind, eingesetzt werden.
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Die Feuerungseinrichtung weist weiter einen Massenstromsensor und/oder Volumenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge auf.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine Feuerungseinrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine Kennlinie zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine weitere Kennlinie zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen Gasbrenner, bei dem ein Gemisch aus Luft L und Gas G vorgemischt und verbrannt wird.
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Der Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den Verbrennungsluft L von einem drehzahlregelbaren Gebläse 9 angesaugt wird. Ein Massenstromsensor 2 misst den Massenstrom der angesaugten Luft L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass in seiner Umgebung eine möglichst laminare Strömung erzeugt wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der Massenstromsensor in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung eines Strömungsgleichrichters angeordnet werden. Mit Hilfe des Massenstromsensors und des drehzahlregelbaren Gebläses 9 kann die Luftzufuhr in den Mischbereich 8 genau gesteuert werden.
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Für die Gaszufuhr ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung angeschlossen ist. Der Gaszufuhrabschnitt kann mit einem Massenstromsensor geeigneter Bauart versehen sein. Mittels eines Ventils 6, beispielsweise eines pulsweitenmodulierten oder elektronisch gesteuerten Ventils, das z. B. mit einem Stellglied mit Schrittmotor ausgestattet ist, wird der Zufluss von Gas durch eine Leitung 7 in den Mischungsbereich 8 gesteuert. Im Mischungsbereich 8 findet eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator des Gebläses 9 wird mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft L als auch das Gas G anzusaugen.
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Bei vogegebenem Luftmassenstrom wird das Ventil 6 so weit geöffnet, dass das Luft-Gas-Gemisch mit dem gewünschten Mischungsverhältnis in den Mischbereich 8 gelangt. Dabei wird die Luftzahl λ so eingestellt, dass eine hygienisch optimale Verbrennung stattfindet.
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Über eine Leitung 10 strömt das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13, die eine vorgegebene Wärmeleistung abgeben soll.
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Am Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zur Einstellung des Sollwertes λh der Luftzahl verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 an einer Oberfläche des Brennerteils 11 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich der Flamme 13 anzuordnen. Die Referenztemperatur des Thermoelements wird an einer Stelle außerhalb des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
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Eine nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des Luft- und/oder Gasstroms erhält Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und vom Massenstromsensor 2 und gibt Steuersignale an das Ventil 6 sowie an den Antrieb des Gebläses 9 ab. Die Öffnung des Ventils 6 und die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 werden so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr ergibt.
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Die Steuerung erfolgt dabei durch Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens. Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen Speicher zum Abspeichern von Kennlinien bzw. von Sollwerten sowie eine entsprechende Datenverarbeitungseinheit auf, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
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Anhand der in der 2 dargestellten Kennlinie soll das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben werden. In dieser Figur ist die gemessene Temperatur in Abhängigkeit von der Luftzahl λ dargestellt
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Zu Beginn des Verfahrens ist durch die Drehzahl des Gebläses und die Öffnung des Gasventils eine bestimmte Luftzahl λ0 eingestellt, die beispielsweise dem zuletzt eingestellten Wert entspricht. Im vorliegenden Fall liegt λ0 oberhalb des Wertes λ1, bei dem sich das Temperaturmaximum Tmax ergibt. Durch Erhöhung des zugeführten Massenstroms an Brenngas bei konstantem Luftmassenstrom mL1 wird λ reduziert Die Veränderung des Gasmassenstroms kann dabei beispielsweise schrittweise unter Variation der Schritte des Schrittmotors des Gasventils durchgeführt werden. Bei jedem Schritt wird mit dem Temperatursensor 12, der im Bereich der Brennerflamme angeordnet ist, die Ist-Temperatur Tist bestimmt. Mit geeigneten Iterationsverfahren wird die Öffnung des Gasventils dann solange variiert, bis sich das Temperaturmaximum Tmax einstellt.
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Im zweiten Verfahrensschritt wird unter Beibehaltung der Öffnung des Gasventils der Luftmassenstrom mL1 um den Sollwert λhy der Luftzahl erhöht. Es ergibt sich der neue Luftmassenstrom mhy = λhymL1. Die Luftzahl ist damit genau auf den gewünschten Sollwert λhy eingestellt, und die Verbrennung erfolgt hygienisch optimal. Nach Einstellung der gewünschten Luftzahl λhy wird die zugehörige Temperatur Tsoll gemessen.
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Bei einem Lastwechsel, das heißt bei einer erforderlichen Änderung der Brennerbelastung, wird das Verfahren in der Regel erneut durchgeführt. Das Verfahren kann auch nach dem Einschalten des Gasbrenners durchgeführt oder in periodischen Abständen wiederholt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Gasbrenner stets in einem optimalen Bereich betrieben wird.
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Um zu verhindern, dass das Verfahren bei jedem Lastwechsel erneut durchgeführt werden muss, kann eine zweite Kennlinie, wie in 3 gezeigt, ermittelt werden. In 3 ist die Solltemperatur Tsoll, die wie in 2 beschrieben ermittelt wurde, in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom mL1, der direkt zur Brennerbelastung proportional ist, dargestellt. Der Sollwert der Luftzahl λhy stellt sich bei einer bestimmten Brennerbelastung genau dann ein, wenn die im Wirkungsbereich der Brennerflamme gemessene Temperatur Tist der aus der 3 ausgelesenen Solltemperatur Tsoll entspricht. Eine Regelung der Ist-Temperatur Tist auf den vorgegebenen Sollwert Tsoll führt automatisch zu einer Einstellung des optimalen Luftzahl bei vorgegebener Brennerbelastung.
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Durch die Verwendung der zweiten in 3 dargestellten Kennlinie kann über einen bestimmten Zeitraum, in dem sich vorzugsweise die Randbedingungen nicht entscheidend ändern, die Anlage ohne erneute Durchführung des Verfahrens bei sich verändernden Brennerbelastungen, also in verschiedenen Betriebszuständen, betrieben werden. Allerdings sollte auch hier in periodischen Abständen oder zu bestimmten Anlässen, beispielsweise bei einer Wartung des Geräts, die Kennlinie erneut bestimmt werden, um eine Anpassung an die verfügbare Gasqualität oder an Instabilitäten im System zu erreichen.
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In 3 ist die Solltemperatur Tsoll in Abhängigkeit vom Massenstrom der Luft mL, der einer bestimmten Brennerbelastung entspricht, dargestellt. Wird die Belastung von einem Betriebszustand 1 in einen Betriebszustand 2, entsprechend den Luftmassenströmen mL1 bzw. mL2, umgestellt, so wird die Temperatur des Gasbrenners so geregelt, dass sich die Temperatur Tsoll2 einstellt. Dazu wird das Luft-Gasgemisches durch Verstellung des Gasventils 6 abgemagert oder angefettet.
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Statt einer völligen Neubestimmung der zweiten Kennlinie gemäß 3 können bei Bedarf auch einzelne Werte bei bestimmten Leistungen erfasst werden und die bisher in der Kennkurve enthaltenen entsprechenden Werte ersetzen. Es ist auch denkbar, die Kennlinie entsprechend einem aktuell gemessenen Wert bei bestimmter Belastung insgesamt zu verschieben.
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Die Durchführung des Verfahrens führt zu einem Betriebsmodus, bei dem eine hygienisch optimale Verbrennung erreicht wird.