DE3634449A1 - Vorrichtung zur steuerung oder regelung eines mengenstromes eines gas- bzw. dampffoermigen oder fluessigen mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung eines Mengenstromes eines gas- bzw. dampfförmigen oder flüssigen Mediums, das durch eine mit einem Druckregler und einer Drosselstelle versehene Leitung strömt.

Ein Druckregler regelt die Druckdifferenz eines Mediums. In erster Näherung gilt:

Dabei ist:
V= Volumenstrom K₁= Konstante Δ p= Druckdifferenz ρ= Dichte

Danach entspricht einer bestimmten Druckdifferenz bei konstanter Dichte ρ ein bestimmter Volumenstrom V. Ferner gilt:

Dabei ist:

= MengenstromK₂= Konstante ρ₀= Normdichte

Danach entspricht bei konstanter Dichte der Volumenstrom eines Mediums einem bestimmten Mengenstrom. Wird dabei der Volumenstrom konstant gehalten, bleibt automatisch auch der Mengenstrom konstant.

Dies ist nicht mehr der Fall, wenn sich die Dichte des Mediums, z. B. infolge von Temperaturschwankungen, ändert. Zur Konstanthaltung des Mengenstroms müssen Dichteänderungen bei der Regelung berücksichtigt werden, d. h., es muß bisher ständig eine aufwendige Dichtemessung stattfinden.

Die Notwendigkeit, einen Mengenstrom möglichst konstant zu halten, ergibt sich z. B. bei der Brennstoffzufuhr zu Gasbrennern, wenn deren Wärmebelastung gehalten werden soll. Den Brennern muß pro Zeiteinheit eine bestimmte Brennstoffmenge und damit Wärmemenge zugeführt werden. Aufgrund von Umgebungseinflüssen kann die Temperatur des Brennstoffes und damit dessen Dichte schwanken.

Weiterhin stellt sich das Problem, bei der Herstellung von Gasgemischen die einzelnen Mengenströme oder das Verhältnis der Mengenströme konstant zu halten. Dabei müssen pro Zeiteinheit die jeweiligen Mengen konstant gehalten oder im konstanten Verhältnis zueinander zusammengeführt werden. Konstante Gasgemische werden z. B. zur Pfrüfgaserzeugung oder beim Ablauf chemischer Reaktionen benötigt.

Bei der Verbrennung von Brennstoffen sind zwei Mengenströme, nämlich Brennstoff und z. B. Verbrennungsluft, in Abhängigkeit voneinander, daher in einem bestimmten Verhältnis, zu steuern oder zu regeln. Es besteht das Problem, dieses Verhältnis unabhängig von Schwankungen eines oder beider Mengenströme aufgrund von Dichteänderungen möglichst konstant zu halten.

Zur Regelung des Brennstoff-Verbrennungsluftverhältnisses verwendet man sog. Gleichdruckregelungen. Dabei wird der Druck und damit der Mengenstrom der Verbrennungsluft in Abhängigkeit vom Wärmebedarf z. B. über ein motorisch verstellbares Drosselorgan verändert. Der Luftdruck wird als Führungsgröße auf einen Druckregler in der Gasleitung gegeben, so daß dessen Druck dem veränderlichen Luftdruck nachgeführt wird. Für den Fall, daß sich die Dichte von Luft und/oder Brenngas, z. B. durch Einsatz eines nachgeschalteten Rekuperators ändert, ist es bekannt, Meßblenden in einem oder beiden Strömen anzuordnen und deren Differenzdrücke als Führungsgrößen auf den Druckregler in der Gasleitung zu geben (z. B. DE-OS 30 36 638). Auf diese Weise haben aus Temperaturänderungen resultierende Druckänderungen, die hinter, d. h. stromab der Meßblenden stattfinden, keinen Einfluß auf das Mischungsverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft.

Temperaturänderungen eines Stromes oder beider Ströme stromauf der Meßblenden führen jedoch zu ungewollten Schwankungen des Mischungsverhältnisses, die bisher nicht oder nur durch aufwendige Maßnahmen kompensiert werden konnten.

Änderungen der Gasbeschaffenheit, d. h. der Zusammensetzung, machen es ebenfalls notwendig, den Gasmengenstrom oder das Brenngas- Verbrennungsluftverhältnis zu steuern oder zu regeln.

Weiterhin besteht das Bedürfnis, das Mischungsverhältnis beliebig oder in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise dem Anfahrzustand, veränderbar zu machen.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es auf einfache Weise möglich ist, den Mengenstrom eines Mediums oder das Verhältnis von Mengenströmen zweier Medien in Abhängigkeit von Stör- und/oder Steuergrößen zu steuern oder zu regeln.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß stromauf oder stromab einer Drosselteile bzw. stromauf oder stromab einer Drosselstelle in einer weiteren Leitung für ein weiteres Medium eine Impulsleitung mit mindestens zwei hintereinander liegenden Strömungswiderständen abzweigt, wobei das Verhältnis der Druckdifferenzen der beiden Strömungswiderstände in Abhängigkeit von Stör- und/oder Steuergrößen veränderbar ist, und daß aus dem Druck zwischen den Strömungswiderständen ein Signal gebildet wird, das auf den Druckregler einwirkt.

In Abhängigkeit von der Störgröße Temperatur verändert sich das Druckverhältnis der beiden Strömungswiderstände aufgrund bekannter physikalischer Gesetze. Der Druckabfall an einem Strömungswiderstand ist je nach dessen Charakter abhängig von der Dichte oder der Viskosität - die sich bekanntlich mit der Temperatur ändern - des strömenden Mediums.

Wenn der Strömungswiderstand laminaren Charakter besitzt, d. h., wenn die Strömung durch den Widerstand laminar ist, wie z. B. im Falle eines Kapillarröhrchens, ändert sich der Druckabfall, d. h., die Druckdifferenz über dem Strömungswiderstand, in Abhängigkeit von der Viskosität. Hat dagegen die Strömung durch den Widerstand turbulenten Charakter, wie z. B. bei einer Blende oder Düse, ändert sich der Druckabfall in Abhängigkeit von der Dichte des die Meßblende durchströmenden Mediums.

Erfindungsgemäß sind sowohl laminare als auch turbulente Strömungswiderstände gleichermaßen geeignet, und zwar auch in gemischter Zusammenstellung. Ein laminarer Strömungswiderstand in Form einer Kapillare erzeugt von der Funktion her ein größeres Signal als ein turbulenter Strömungswiderstand in Form einer Blende oder Düse. Letztere sind jedoch in der Praxis besser zu handhaben.

Das Mischungsverhältnis von zwei Mengenströmen wird durch die folgende Gleichung beschrieben

Dabei ist:

P= absoluter DruckΔ P= Druckdifferenz über einem turbulenten StrömungswiderstandT= absolute TemperaturK₃= Konstante Index 1= 1. Medium Index 2= 2. Medium

Beispielsweise bei Normalbetrieb von Gasbrennern kann man in erster Näherung davon ausgehen, daß das Verhältnis der absoluten Drücke P₁/P₂ in der Luft- und Gasleitung vor den relevanten Drosselstellen konstant ist. Mit einer Druckregeleinrichtung, z. B. mit einem Gleichdruckregler, wird normalerweise das Verhältnis der Druckdifferenzen Δ P₁/Δ P₂ konstant geregelt. Danach können Dichteänderungen, die das Mengenverhältnis beeinflussen, durch Kompensation der Temperaturen oder des Temperaturverhältnisses T₂/T₁ eliminiert werden. Dabei muß die Druckdifferenz (Glchg. 1) bzw. das Verhältnis der Druckdifferenzen (Glchg. 3) derart gesteuert bzw. geregelt werden, so daß der Mengenstrom bzw. das Mengenstromverhältnis nahezu konstant bleiben.

Weiterhin ist das Verhältnis der Druckdifferenzen der beiden Strömungswiderstände durch Ansteuern von außen veränderbar, wenn mindestens ein Strömungswiderstand ansteuerbar ausgeführt ist. Bei der Regelung beispielsweise eines Brenngasmengenstromes für einen Gasbrenner können die Regelabweichungen aller meßbaren relevanten Verbrennungsgrößen als Ansteuersignale verwendet werden. Verbrennungsgrößen sind beispielsweise der O₂-, CH₄-, CO-Gehalt im Abgas oder die Flammentemperatur. Regelgröße kann auch das Mischungsverhältnis λ sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Mischungsverhältnis beliebig oder in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise dem Anfahrzustand, zu verändern. Die erfindungsgemäße Regelung ist einfach und preiswert, weil nur auf die kleinen Mengenströme in der Impulsleitung eingewirkt wird.

Bei Änderung des Verhältnisses der Druckdifferenzen der beiden Strömungswiderstände ändert sich der Druck zwischen den beiden Strömungswiderständen. Dieser Druck kann erfaßt und in ein elektrisches Kompensationssignal zur Ansteuerung des Druckreglers umgewandelt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Druck zwischen den Strömungswiderständen den Druckregler als pneumatisches Signal direkt beaufschlagt. Bestehende Gleichdruckregelsysteme zur Regelung des Brenngas-Verbrennungsluftverhältnisses bei Gasbrennern oder auch Vordruckregler können dann auf sehr einfache Weise zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umgerüstet werden.

Bei der Regelung bzw. Konstanthaltung eines einzigen Mengenstromes und der Kompensation von Temperaturänderungen des Mediums, ist es ausreichend, in der Impulsleitung einen seiner Größe nach in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums veränderbaren und einen seiner Größe nach durch Thermostatisierung konstanten Strömungswiderstandes anzuordnen.

Wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise in einem klimatisierten Raum konstant ist, kann der seiner Größe nach konstante Strömungswiderstand auch auf Umgebungstemperatur gehalten werden.

Bei der Regelung von zwei Mengenströmen in Abhängigkeit voneinander ist einer der Strömungswiderstände seiner Größe nach in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums veränderbar, während der andere Größe nach in Abhängigkeit von der Temperatur des weiteren Mediums veränderbar ist. Temperaturänderungen sowohl des einen als auch des anderen Mediums werden kompensiert und führen nun nicht mehr zu unzulässigen Schwankungen des Mischungsverhältnisses.

Ein Strömungswiderstand verändert seine Größe bzw. der Druckabfall an ihm ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur eines Mediums, indem der Strömungswiderstand und/oder der Teilstrom in der Impulsleitung in Wärmeaustausch mit dem Medium steht bzw. stehen. Beispielsweise kann der Strömungswiderstand und/ oder die Impulsleitung im Strömungsweg des Mediums angeordnet werden. Der Strömungswiderstand kann auch einen Wärmetauscher aufweisen, der mit dem Medium beaufschlagt wird, auf dessen Temperatur der Strömungswiderstand und/oder der Teilstrom in der Impulsleitung gehalten werden soll.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der stromauf in der Impulsleitung liegende Strömungswiderstand auf der Temperatur des Mediums in derjenigen Leitung, von der die Impulsleitung abzweigt, gehalten wird, während der stromab liegende Strömungswiderstand im Wärmeaustausch mit dem weiteren Medium steht.

Wenn der stromauf in der Impulsleitung angeordnete Strömungswiderstand in der Nähe der Abzweigstelle der Impulsleitung von der Leitung liegt, nimmt der Strömungswiderstand die Temperatur des strömenden Mediums an, ohne das besondere Wärmeaustauschmaßnahmen erforderlich sind.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein Strömungswiderstand elektrisch beheizbar. Auf diese Weise kann der Wärmeaustausch des Strömungswiderstandes oder des Teilstroms in der Impulsleitung mit einem Medium ersetzt oder verstärkt werden.

Außerdem kann ein Strömungswiderstand über die elektrische Beheizung besonders einfach angesteuert und so der Mengenstrom eines Mediums in Abhängigkeit von Steuergrößen z. B. Verbrennungsgrößen gesteuert oder geregelt werden.

Wird mit elektrisch ansteuerbaren Strömungswiderständen gearbeitet, so ergibt sich der besondere Vorteil, daß mehrere Strömungswiderstände beispielsweise in parallelen Brennersystemen über ein gemeinsames Referenzsignal gleichzeitig angesteuert und die Brenngasströme gleichzeitig geregelt werden können.

Ein Strömungswiderstand in Form einer Kapillare kann auf einfache Weise mit Strom beheizt werden, indem die Kapillare in Form eines Heizleiters ausgebildet ist, an den direkt eine Niederspannung anlegbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strömungswiderstand einen veränderbaren freien Strömungsquerschnitt aufweist.

Beispielsweise kann der Strömungswiderstand eine aus Kunststoff bestehende Blende sein, deren Temperaturausdehnungskoeffizient besonders groß ist. Die Temperaturänderungen des die Blende durchströmenden Mediums führen zusätzlich zu einer Veränderung des freien Strömungsquerschnittes, so daß die Veränderung der Größe des Strömungswiderstandes verstärkt wird.

Weiterhin besteht über die Veränderung des freien Strömungsquerschnittes eine weitere einfache Möglichkeit der Ansteuerung Strömungswiderstandes.

Der ansteuerbare Strömungswiderstand kann als Iris- oder Segment-Blende, als Drosselventil oder als motorangetriebene Drosselklappe oder dergl. ausgebildet sein.

Bei Versuchen hat sich als vorteilhaft herausgestellt, daß die Impulsleitung stromab der Drosselstelle direkt oder indirekt in derjenigen Leitung mündet, von der sie abzweigt.

Die Kompensationswirkung kann durch eine zusätzliche Impulsleitung verstärkt werden. Durch Beaufschlagung der Membran des Druckreglers derart, daß die Kompensationssignale in die gleiche Richtung wirken, entsteht die Verstärkungswirkung.

Weiterhin ist es baulich vorteilhaft, wenn der Druckregler mit entsprechenden Ein- und Auslässen direkt in den Strömungsweg der Impulsleitung zwischen die Strömungswiderstände geschaltet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 bis 5, schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Der Aufbau der Regelvorrichtung ist bei allen Ausführungsbeispielen ähnlich, und entsprechende Teile sind in allen Fig. mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die Ausführungsformen nach Fig. 1 kann zur Konstanthaltung des Brenngasmengenstromes für einen Gasbrenner verwendet werden oder zur Konstanthaltung eines Gasmengenstromes, beispielsweise zur Erzeugung von Gasgemischen.

Eine Gasleitung 1 ist mit einem Druckregler 2 und einer Drosselstelle 3 z. B. in Form einer Blende oder eines Stellenventils versehen. Stromauf der Drosselstelle 3 zweigt eine Impulsleitung 4 ab, in der Strömungswiderstände 5 und 6 angeordnet sind.

Es handelt sich beispielsweise um Kapillarröhrchen, in denen eine laminare Strömung entsteht. Während sich die Größe des Strömungswiderstandes 6, d. h. sein Druckabfall entsprechend der jeweiligen Gastemperatur einstellt, ändert sich die Größe des Strömungswiderstandes 5 nicht, da er in üblicher Weise thermostatisiert ist.

Eine Arbeitsmembran 7 des Druckregler 2 ist auf der einen Seite vom Druck zwischen den Strömungswiderständen 5 und 6 und auf der anderen Seite vom Druck stromab des Strömungswiderstandes 5 beaufschlagt. Die Impulsleitung 4 endet stromab der Drosselstelle 3 in der Gasleitung 1. Es ist auch möglich, die Oberseite der Membran dem Luftdruck auszusetzen. Der Gasstrom in der Impulsleitung muß dann stromab des Strömungswiderstandes 5 in die Umgebung abströmen.

Nach Fig. 2 werden zwei Mengenströme in Abhängigkeit voneinander geregelt, z. B. Brenngas und Verbrennungsluft für einen Gasbrenner.

Die Arbeitsmembran 7 des Druckreglers 2 in der Gasleitung 1 ist einerseits vom Ausgangsdruck des Druckreglers 2 und andererseits von dem Druck zwischen den Strömungswiderständen 5 und 6 in der Impulsleitung 4 beaufschlagt. Die Impulsleitung 4 zweigt hier von einer Luftleitung 8, die ein Gebläse 9 aufweist, vor einer Drosselstelle 10 ab. Hinter dem Gebläse 9 befindet sich eine in Abhängigkeit vom Wärmebedarf motorisch verstellbare Drosselklappe 10′. Während sich die Größe des Strömungswiderstandes 5 entsprechend der jeweiligen Lufttemperatur einstellt, ändert sich die Größe des Strömungswiderstandes 6 in Abhängigkeit von der Gastemperatur, da mit Hilfe eines nicht dargestellten Wärmetauschers die den Strömungswiderstand 6 durchströmende Luft auf Gastemperatur gebracht wird. Die Impulsleitung 4 endet hinter der Drosselstelle 10 in der Luftleitung 8. Brenngas und Verbrennungsluft werden in einer Mischvorrichtung 11 zusammengeführt.

Nach Fig. 3 zweigt die Impulsleitung 4 von der Gasleitung 1 ab und endet auch in dieser hinter der Drosselstelle 3. Die Strömungswiderstände 5 und 6 werden von Brenngas durchströmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Oberseite der Arbeitsmembran 7 von dem Druck zwischen den Strömungswiderständen 5 und 6 beaufschlagt, während ihre Unterseite über eine Steuerleitung 12 mit dem Druck aus der Luftleitung 8 beaufschlagt ist. In diesem Fall ändert sich die Größe des Strömungswiderstandes 6 in Abhängigkeit von der jeweiligen Gastemperatur, während sich die Größe des Strömungswiderstandes 5 mit Hilfe eines Wärmetauschers in Abhängigkeit von der Lufttemperatur ändert.

Nach Fig. 4 weist der Druckregler 2 eine Arbeitsmembran 7 auf, deren Unterseite mit dem Druck zwischen den Strömungswiderständen 5 und 6 beaufschlagt wird. Der Druckregler 2 ist hier direkt in den Strömungsweg der Impulsleitung 4 zwischen die Strömungswiderstände 5 und 6 geschaltet. In diesem Fall wird der Strömungswiderstand 6 mit Hilfe eines Wärmetauschers auf die Gastemperatur und der Strömungswiderstand 5 ebenfalls mit Hilfe eines Wärmetauschers auf Lufttemperatur gebracht. Die Oberseite der Arbeitsmembran 7 wird mit dem Druck der in der zweiten Impulsleitung 4′ liegenden Strömungwiderstände 5′ und 6′ beaufschlagt. Die beiden zwischen 5 und 6 sowie 5′ und 6′ entstehenden Kompensationsdrücke wirken in die gleiche Richtung, wodurch eine Verstärkungswirkung entsteht.

In Fig. 5 ist schematisch die Regelung eines bzw. mehrerer paralleler Brenner dargestellt. Im Abgasstrom des Brenners 13 wird über eine nicht dargestellte Meßeinrichtung beispielsweise eine Lambda-Sonde, ein Signal erzeugt, das in einem Rechner ausgewertet, ausgegeben und in ein Regelsignal umgewandelt wird. Das die Regeleinrichtung 14 verlassende elektrische Signal wird auf die ansteuerbaren Strömungswiderstände 5 und 6 gegeben. Die Strömungswiderstände sind in nicht dargestellter Art und Weise in Form von Heizleitern ausgebildet, an die direkt das Signal in Form einer Niederspannung angelegt wird. Wie schematisch angedeutet, können weitere Strömungswiderstände in parallelen Brennereinrichtungen angesteuert werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung eines Mengenstromes eines gas- bzw. dampfförmigen oder flüssigen Mediums, das durch eine mit einem Druckregler (2) und einer Drosselstelle (3) versehene Leitung (1) strömt, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf oder stromab dieser Drosselstelle (3) bzw. stromauf oder stromab einer Drosselstelle (10) in einer weiteren Leitung (8) für ein weiteres Medium eine Impulsleitung (4) mit mindestens zwei hintereinander liegenden Strömungswiderständen (5, 6) abzweigt, wobei das Verhältnis der Druckdifferenzen der beiden Strömungswiderstände in Abhängigkeit von Stör- und/oder Steuergrößen veränderbar ist, und daß aus dem Druck zwischen den Strömungswiderständen (5, 6) ein Signal gebildet wird, das auf den Druckregler (2) einwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zwischen den Strömungswiderständen (5, 6) den Druckregler (2) als pneumatisches Signal beaufschlagt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Strömungswiderstände (6) seiner Größe nach in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums veränderbar ist, während der andere Strömungswiderstand (5) seiner Größe nach durch Thermostabilisierung konstant ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Strömungswiderstände seiner Größe nach in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums veränderbar ist, während der andere seiner Größe nach in Abhängigkeit von der Temperatur des weiteren Mediums veränderbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stromauf in der Impulsleitung (4) liegende Strömungswiderstand (5) auf der Temperatur des Mediums in derjenigen Leitung (8), von der die Impulsleitung (4) abzweigt, gehalten wird, während der stromab liegende Strömungswiderstand (6) in Wärmeaustausch mit dem weiteren Medium steht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strömungswiderstand (5, 6) elektrisch beheizbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (5, 6) als Kapillare in Form eines Heizleiters ausgebildet ist, an den direkt eine Niederspannung anlegbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strömungswiderstand (5, 6) eine veränderbaren freien Strömungsquerschnitt aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsleitung (4) stromab der Drosselstelle (3, 10) direkt oder indirekt in derjenigen Leitung (1, 8) mündet, von der sie abzweigt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Kompensationswirkung eine zustäzliche Impulsleitung (4′) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (2) mit entsprechenden Ein- und Auslässen direkt in den Strömungsweg der Impulsleitung (4) geschaltet ist.