DE69121110T2

DE69121110T2 - Gasbrennersystem und verfahren zur regelung der verbrennung

Info

Publication number: DE69121110T2
Application number: DE69121110T
Authority: DE
Inventors: Peter Dalhuisen
Original assignee: DALHUISEN GASRES APELDOORN
Current assignee: DALHUISEN GASRES APELDOORN
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: NL9002522A; ATE140785T1; JP3104994B2; US5338184A; EP0558672B1; JPH06502481A; EP0558672A1; DE69121110D1; WO1992008930A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln der Verbrennung eines aus Heizgas und Luft bestehenden Gemisches zum Verbrennen und ein Gasbrennersystem.
Durch die vorliegende Erfindung ist es je nach den vorherrschenden Bedingungen möglich, daß das Spülen der Verbrennungskammer eines Gasbrenners auf effektive Weise geregelt wird.
EP-A-154361 beschreibt ein Gasbrennersystem, bei dem Verbrennungsregelmittel in Form eines Redoxsensors verwendet werden, um die Verbrennung in einer Verbrennungskammer des Brenners zu regeln. Ein Nachteil dieses Systems ist, daß das Spülen der Verbrennungskammer nicht direkt geregelt wird. Die Verwendung des Redoxsensors ist auf einen Temperaturpegel beschränkt, um zu verhindern, daß das Signal von dem Redoxsensor durch dessen Temperaturempfindlichkeit beeinflußt wird.
Die vorliegende Erfindung hat als Ziel, ein Verfahren für eine Regelung des Spülens der Verbrennungskammer und ein Gasbrennersystem zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird dies mit einem Verfahren zum Regeln der Verbrennung eines Gemisches aus Heizgas und Luft in einer Verbrennungskammer erreicht, die mit einem Redoxsensor mit Regelmitteln zum Einstellen der Temperatur des Redoxsensors versehen ist, das der Reihe nach die folgenden Schritte umfaßt:
b) Spülen der Verbrennungskammer mit Luft;
c) Einstellen einer Temperatur des Redoxsensors auf seine oberhalb einer Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches liegende Betriebstemperatur T&sub2; ;
d) Zuführen des Gemisches;
e) Ändern der Zufuhr des Heizgases und/oder der Luft, abhängig von einem durch den Redoxsensor erzeugten Signal S;
dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Heizen des Redoxsensors auf die Betriebstemperatur T&sub2; das Verfahren einschließt:
a) Heizen des Redoxsensors auf eine Anfangstemperatur T&sub1;, die zwischen der Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches und der Umgebungstemperatur liegt, wodurch als eine Folge des Spülens mit Luft die Sensortemperatur fällt und das Sensorsignal S abfällt, wodurch angezeigt wird, daß ein Spülen stattfindet.
Die Verwendung eines Redoxsensors zum Regeln der Qualität der Verbrennung ist bereits aus EP-A-154361 bekannt. Dies wird vorzugsweise dadurch vollbracht, daß in Schritt e) die Zufuhr von Luft verringert wird, falls sich das Signal S einem Minimalwert Smin nähert, und dadurch, daß in Schritt e) die Zufuhr von Luft erhöht wird, wenn sich das Signal S einem Maximalwert Smax nähert. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch der Redoxsensor auch zum Regeln des Zustands des Gases in der Verbrennungskammer vor einer Zündung der Verbrennung benutzt. Dies ist nur möglich, wenn der Redoxsensor auf eine bestimmte Temperatur geheizt wird, um Nutzsignale zu liefern. Während des Heizens muß die Temperatur unter der Zündtemperatur bleiben, um zu verhindern, daß das Gemisch in der Verbrennungskammer zündet, bevor eine gewünschte Qualität des Gemisches erreicht ist. Die Temperaturempfindlichkeit wird nun dazu verwendet, um durch eine sich ändernde Temperatur des Redoxsensors anzuzeigen, daß es einen Luftstrom in der Verbrennungskammer gibt, um sie zu spülen. Die zum Spülen verwendete Luft liegt bei der Umgebungstemperatur, so daß sie den erhitzten Redoxsensor kühlt. Durch dieses Verfahren wird nicht nur der Prozeß nach der Zündung, sondern auch der Prozeß vor der Zündung regelbar.
Die Erfindung beinhaltet auch ein verbessertes Gasbrennersystem mit mindestens einem Gasbrenner, der speziell dafür ausgelegt ist, um das oben genannte Verfahren auszuführen, mit:
i) einer Mischkammer für zugeführtes Heizgas und Luft;
ii) einer geschlossenen Verbrennungskammer;
iii) einem Redoxsensor mit Regelmitteln, um eine Betriebstemperatur T&sub2; des Redoxsensors oberhalb einer Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches einzustellen;
iv) einem Gebläse zum Spülen der Verbrennungskammer mit Luft; und
v) einem Regelsystem, zumindest mit dem Redoxsensor, dem Gebläse und einem Ventil verbunden, das den Strom von Heizgas steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel auch vorgesehen sind, um eine Anfangstemperatur T&sub1; des Redoxsensors einzustellen, welche Temperatur zwischen der Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches und der Umgebungstemperatur liegt, damit ein Sensorsignal S anzeigt, daß das Spülen stattfindet.
Der Redoxsensor umfaßt vorzugsweise zumindest einen schraubenförmigen bzw. gewundenen Heizdraht und die Regelmittel sind vorgesehen, um den gewundenen Heizdraht auf die beiden verschiedenen Glühtemperaturen T&sub1; und T&sub2; einzustellen. Somit ist es möglich, den Betrieb des Gasbrenners bei einer Temperatur derart zu regeln, daß Explosionen im Fall des Vorhandenseins eines brennbaren Gemisches vermieden werden, und die Verbrennung wird gestartet, nachdem man bestimmt hat, daß er bei einer höheren Glühtemperatur gut arbeitet, und man ein brennbares Gemisch zuführen ließ.
Das System und der Gasbrenner können durch die Verbindung eines Meßsensors mit der Verbrennungskammer gegen eine unregelmäßige Verbrennung oder ein Aufhören bzw. eine Unterbrechung der Verbrennung geschützt werden.
Die Leistung des Systems und des Gasbrenners können weiter erhöht werden, indem man die Temperatur des die Feuerrohre verlassenden Verbrennungsgases für die weitere Wärmeerzeugung nutzt. Es wird daher empfohlen, daß ein indirekter Wärmetauscher, durch den Feuerrohre führen, mit dem Wasserbehälter verbunden ist.
Die erwähnten und andere Merkmale des Verfahrens zum Regeln der Verbrennung eines Gemisches aus Heizgas und Luft in einer Verbrennungskammer und des Gasbrennersystems gemäß der Erfindung werden im folgenden auf der Basis einer Ausführungsform ausführlicher beschrieben, die nur beispielhaft dargestellt wird, während auf die beigefügte Zeichnung verwiesen wird.
In der Zeichnung:
Figur 1 zeigt eine teilweise weggebrochene perspektivische Ansicht eines Gasbrenners gemäß der Erfindung;
Figur 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II von Figur 1;
Figur 3 ist eine graphische Darstellung des Signals, das durch den Sensor während der Start- und Betriebsphase erzeugt wird;
Figur 4 zeigt das Detail IV von Figur 1 im größeren Maßstab;
Figur 5 zeigt das Detail V von Figur 1 im größeren Maßstab;
Figur 6 zeigt eine Variante des Details von Figur 5:
Figur 7 zeigt eine Variante des Details VII von Figur 1; und
Figur 8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII von Figur 7.
Figur 1 zeigt einen Gasbrenner 1 gemäß der Erfindung, der, zusammen mit einem (hier nicht dargestellten) Regelsystem, ein Gasbrennersystem gemäß der Erfindung bildet. Dieses Gasbrennersystem kann einen oder mehrere Gasbrenner 1 gemäß der Erfindung umfassen und kann zum Beispiel für eine Zentralheizung oder Heißwasserversorgung verwendet werden. Die Gasbrenner 1 gemäß der Erfindung können hierbei parallel oder hintereinander verbunden sein.
Der Gasbrenner 1 gemäß der Erfindung umfaßt eine Mischkammer 2, eine Verbrennungskammer 3 und einen Wärmetauscher 4, welche übereinander angeordnet sind.
Eine auf dem Dachboden untergebrachte zentrale Heizeinheit und zwei Heißwasserversorgungen für das Badezimmer und die Küche, die jeweils mit einem Gasbrenner 1 gemäß der Erfindung versehen sind, können auch mit einem Regelsystem geregelt werden.
Die Mischkammer 2 ist mit einem Einlaß 5 versehen, der mit einem an der Unterseite 6 offenen hängenden Rohr 7 verbunden ist. In das Rohr 7 mündet in der Nähe des unteren Endes 6 eine Düse 8, mit der Heizgas 11 über ein Zufuhrleitungsrohr 9 und in verstellbares Ventil 10 zugeführt werden kann, wenn das Ventil 10 geöffnet ist. Das Ventil 10 wird über eine Steuerleitung 12 betätigt, die mit dem (nicht dargestellten) Regelsystem verbunden ist.
Ferner ist in dem Rohr 7 ein axiales Gebläse 13 untergebracht, dessen Abgabe- bzw. Austrittsseite zur Mischkammer 2 hin gerichtet ist und das über die Steuerleitungen 14 mit dem Regelsystem verbunden ist.
Weiterhin ist in der Mischkammer 2 ein Kupfermischgeflecht 15 angeordnet, um das Mischen von Heizgas und Luft anzuregen und einen Flammenrückstoß aus der Verbrennungskammer 3 in die Mischkammer 2 zu verhindern. Eine gleichmäßige Druckverteilung wird darüber hinaus über die Oberfläche einer Keramikbrennerplatte 16 gefördert, die die Mischkammer 2 von der Verbrennungskammer 3 trennt. Als Keramikbrennerplatte kann z.B. Tennaglo verwendet werden.
Ein Verbrennungsregelmittel 17 mit einem Redoxsensor 18 ist in der im wesentlichen zylindrischen Verbrennungskammer in geringem Abstand von der Brennerplatte 16 angeordnet. Der Abstand zur Platte 16 beträgt vorzugsweise 2 bis 5 mm.
Der Sensor 18 ist in Figur 5 ausführlicher dargestellt. Der Sensor 18 (Figaro CMS-202) umfaßt einen Sensorteil 19, in dem mit einem Katalysator vermischtes gesintertes SnO&sub2; vorgesehen ist. Bei einer Temperatur von 400 - 1.100ºC reagiert dieser Sensorteil 19 empfindlich auf Änderungen in der Konzentration der reduzierenden Gase.
Der Sensor 18 umfaßt ferner einen schraubenförmigen bzw. gewundenen Heizdraht 20, der zwischen Anschlüssen 21 und 22 angeordnet ist. Diese Anschlüsse 21 und 22 sind mit einer Regeleinheit 23 verbunden, mit der der schraubenförmige Heizdraht 20 auf zwei verschiedene Temperaturen T&sub1; und T&sub2; eingestellt werden kann. Die Regeleinheit 23 ist wiederum über eine Steuerleitung 24 mit dem Regelsystem verbunden.
Figur 6 zeigt eine Variante des Sensors 18. In diesem Fall hat der Sensor 25 einen zwischen den Anschlüssen 21 und 22 angeordneten schraubenförmigen Heizdraht 26, der um den Sensorteil 19 herum gewickelt ist. Die Anschlüsse 21 und 22 sind wiederum mit der Regeleinheit 23 verbunden, während die Anschlüsse 27 und 28 des Sensors 25 direkt mit dem Regelsystem verbunden sind.
Die zylindrische Verbrennungskammer 3 ist an den Seiten und am Boden durch einen abgesenkten Bodenteil 29 eines zylindrischen ersten Ummantelungsteils 30 begrenzt, der mit einem anderen zylindrischen Ummantelungsteil 31 die Ummantelung des Wärmetauschers 4 bildet. Die Ummantelungsteile 30 und 31 sind bei einer überlappenden Naht 32 verbunden. Die Mischkammer 2 ist an einem Bodenrand 33 befestigt und ruht auf ihm, worin die Keramikbrennerplatte 16 in einem Profilring 34 ruht.
In den Bodenteil 29 münden eine große Anzahl Feuerrohre 35, die durch den mit Wasser 36 gefüllten Wasserbehälter 77 hindurchgehen. Die Feuerrohre haben einen seitwärts gebogenen Abschnitt 37. Folglich ist die Verbrennungskammer mit einem maximalen, durch Strahlung geheizten Flächeninhalt versehen, der aus dem aufrechten Rand 38, dem Bodenteil 29 und den gebogenen Feuerrohrabschnitten 37 besteht.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, wird Wärmestrahlung, die über einen Einlaß 39 in das Feuerrohr 35 gelangt, dessen Auslaß 40 nicht erreichen, da sie zuerst auf den gebogenen Abschnitt 37 des Feuerrohrs trifft.
Die Feuerrohre 35 sind an einer Seite in dem Bodenteil 29 und an der anderen Seite an einem Kragen 41 eines Bodenteils 42 des Ummantelungsteils 31 befestigt.
Zu erhitzendes Wasser strömt über einen Einlaß 43 ein und verläßt den Wärmetauscher 4 über einen Auslaß 44, der auf einem hohen Niveau bzw. oben liegt.
Die Feuerrohre 35 münden in eine Verbrennungsgaskammer 45, in die ein Auslaß 46 für Verbrennungsgas mündet. Am niedrigsten Punkt eines abfallenden Bodens 47 der Verbrennungsgaskammer 45 befindet sich ein Auslaß 48 für kondensiertes Wasser, das aus den Feuerrohren 35 in die Verbrennungsgaskammer 45 tropft.
Figur 4 stellt einen Meßsensor 49 gemäß der Erfindung dar. Der Sensor 49 umfaßt ein NiCr/NiAl-Thermopaar 50, das sich durch einen Rohrteil 51 in die Verbrennungskammer zu einer Stelle nahe der Brennerplatte 16 erstreckt. Das Vorhandensein einer Flamme an der Brennerplatte 16 während des Startens bzw. Anfahrens und während des Betriebs wird durch den Meßsensor 49 festgestellt. Das Signal von dem Meßsensor 49 wird über die Steuerleitungen 55, 56 zu der Regeleinheit 23 übertragen, welche wiederum über eine Steuerleitung 57 mit dem Regelsystem verbunden ist.
Anstelle eines getrennten Meßsensors 49 kann der Meßsensor in den Sensor 18 integriert sein, wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
Das Verbrennungsverfahren, welches mit dem Gasbrenner 1 gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann, wird im folgenden mit Verweis auf Figur 3 ausführlicher erklärt, worin das durch den Sensor 25 erzeugte Signal S als eine Funktion der Zeit t für eine Anfahr- bzw. Startperiode 58 und eine Betriebsperiode 59 dargestellt ist.
Beim Anfahren ist das Ventil 10 geschlossen, und das Gebläse 13 ist abgeschaltet. Zur Zeit t&sub1; wird der Sensor 25 mit dem schraubenförmigen Heizdraht 26 durch das Regelsystem über die Regeleinheit 23 auf eine Redoxsensor-Temperatur T&sub1; (zum Beispiel 400ºC) erhitzt. Der Sensor 25 erzeugt ein Signal S&sub1;. Das Gebläse 13 wird zur Zeit t&sub2; gestartet. Umgebungsluft 60 strömt ein, wodurch die Temperatur des Sensors fällt, wobei das Signal davon auf S&sub2; abfällt, wenn nicht als Folge eines leckenden bzw. offenen Ventils 10 oder als Folge eines immer noch in der Mischkammer 2 vorhandenen Gemisches Heizgas zugeführt wird. Dies würde einen Anstieg des Signals S erzeugen, was das Regelsystem zu der Entscheidung veranlassen würde, die Startprozedur zu unterbrechen.
Nach einer Spülperiode wird der Sensor 25 bei t&sub3; mit dem schraubenförmigen Heizdraht 26 auf eine höhere Temperatur T&sub2; (800-1.000ºC) gebracht, eine Temperatur, bei der ein Gemisch zur Verbrennung zündet. Aufgrund dieser höheren Temperatur wird der Sensor ein Signal S&sub3; erzeugen, das größer als S&sub2; und größer als S&sub2; ist.
Das Gasventil 10 wird anschließend bei t&sub4; geöffnet, wonach das Gemisch aus Heizgas und Luft über die Brennerplatte in die Verbrennungskammer strömt und durch den heißen Sensor 25/schraubenförmigen Heizdraht 26 gezündet wird. Das Sensorsignal steigt an, und bei t&sub5; wird die Heizung des schraubenförmigen Heizdrahts 26 unterbrochen, womit die Startperiode 58 abgeschlossen ist.
Als Folge der Verbrennung nimmt die Konzentration des reduzierenden Gases in der Verbrennungskammer 3 und dadurch auch das Sensorsignal S ab.
Die Zufuhr von Luft wird zum Beispiel von t&sub6; an auf einen Luftüberschuß von n=1, 05 reduziert, worin ein Maximum von 50 ppm CO und 16 ppm NOx im Abgas auftritt, das den Auslaß 46 verläßt.
Wenn der Luftüberschuß entweder durch Verringern der Umdrehungsgeschwindigkeit des Gebläses 13 oder durch Erhöhen der Zufuhr des Gases über das Ventil 10 weiter gesenkt wird, wird das Signal S ansteigen. Wenn sich das Signal S einem Maximalwert Smax nähert oder ihn überschreitet (entsprechend etwa 30 ppm CO), wird der Luftüberschuß erhöht, zum Beispiel durch Erhöhen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Gebläses 13 bei t&sub7;. Das Signal 5 wird noch einmal abnehmen, und, wenn es sich einem Wert Smin (zum Beispiel 20 ppm CO) nähert, wird die Umdrehungsgeschwindigkeit des Gebläses 13 bei t&sub8; verringert, bis es bei t&sub9; angestiegen ist. Es ist offensichtlich, daß in dieser Betriebsphase die Verbrennung innerhalb enger Grenzen für die CO-Konzentration in dem Verbrennungsgas optimal reguliert wird. Wenn der Heizbedarf zu einem Ende kommt, wird das Gasventil 10 dann bei t&sub1;&sub0; geschlossen, und das Gebläse 13 wird angehalten, wenn das Signal von dem Sensor einen Nullwert erreicht.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Variante eines Gasbrenners 61 gemäß der Erfindung, worin ein zweiter Wärmetauscher 62 mit dem Wärmetauscher 4 verbunden ist. Der zweite Wärmetauscher 62 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 63 mit Austauscherrohren 64, die an ihrem oberen Ende mit einem Kragen 65 eines oberen Teils 66 versehen sind, in dem die Verbindung mit einem entsprechenden Feuerrohr 35 stattfindet. Zwischen den Austauscherrohren 64 sind Trennwände 67 angeordnet sind, wodurch Luft 69 für eine Zufuhr über einen Einlaß 68 durch den Wärmetauscher 62 über ein Labyrinth gelangt und, an den Rohren 64 und den Trennwänden 67 erwärmt, den Wärmetauscher 62 über den Auslaß 70 verläßt.
Figur 7 zeigt deutlich, daß der zweite Wärmetauscher 62 zwischen dem Wärmetauscher 4 und der Verbrennungsgaskammer 45 angeordnet ist.
Der zweite Wärmetauscher 62 kann später zu dem Gasbrenner 1 hinzugefügt werden, ohne daß Anpassungen der Regelung und des Schutzes notwendig sind. Der höhere Widerstand, der in dem Gasbrenner 1 durch die Montage des Wärmetauschers 62 geschaffen wird, hat einen Einfluß auf die Leistung des Gebläses 13, doch diese wird über die Sensorsteuerung automatisch wieder auf den richtigen Wert gebracht.
Aus dem vorhergehenden ist offensichtlich, daß das Gasbrennersystem und der Gasbrenner gemäß der Erfindung verwendet werden können, um eine Vielzahl von Heizgasen mit optimaler Leistung und mit minimaler Emission schädlicher Verbrennungsprodukte, wie z.B. CO, NOx und Hydrokarbonate, zu verbrennen. Die Regelung und der Schutz des Brenners sind wirksam und billig. Der Gasbrenner und das Gasbrennersystem sind einfach zu warten und weniger empfindlich gegen die sich ändernden Kaminzüge, Verschmutzung und Alterung.
Schließlich ist es möglich, den Energieverbrauch des Systems oder des Gasbrenners aufzuzeichnen, indem man die vom Regelsystem ausgeführten Schaltoperationen aufzeichnet.

Claims

1. Verfahren zum Regeln der Verbrennung eines Gemisches aus Heizgas und Luft in einer Verbrennungskammer, die mit einem Redoxsensor (18, 25) und mit Regelmitteln zum Einstellen der Temperatur des Redoxsensors versehen ist, der Reihe nach die folgenden Schritte umfassend:

Spülen der Verbrennungskammer mit Luft;

Einstellen einer Temperatur des Redoxsensors auf seine oberhalb einer Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches liegenden Betriebstemperatur T&sub2;;

Zuführen des Gemisches;

Ändern der Zufuhr des Heizgases und/oder der Luft, abhängig von einem durch den Redoxsensor erzeugten Signal S;

dadurch gekennzeichnet, daß

vor einem Heizen des Redoxsensors (18, 25) auf die Betriebstemperatur T&sub2; das Verfahren umfaßt:

Heizen des Redoxsensors auf eine Anfangstemperatur T&sub1;, die zwischen der Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches und der Umgebungstemperatur liegt, wodurch als eine Folge des Spülens mit Luft die Sensortemperatur fällt und das Sensorsignal S abfällt, dadurch anzeigend, daß ein Spülen stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt b) Schritt c) folgt, wenn das Sensorsignal S von einem vorbestimmten Wert S&sub1; auf einen vorbestimmten Wert S&sub2; abfällt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt c) Schritt d) folgt, wenn das Sensorsignal S von dem Wert S&sub2; auf einen vorbestimmten Wert S&sub3; zunimmt, worin S&sub3; größer als S&sub1; ist.

4. Gasbrennersystem mit mindestens einem Gasbrenner, speziell ausgelegt zum Ausführen des Verfahrens in den Ansprüchen 1-3, umfassend:

i) eine Mischkammer (2) für zugeführtes Heizgas und Luft;

ii) eine geschlossene Verbrennungskammer (3);

iii) einen Redoxsensor (18, 25) mit Regelmitteln (23), um eine Betriebstemperatur T&sub2; des Redoxsensors oberhalb einer Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches einzustellen;

iv) ein Gebläse (13) zum Spülen der Verbrennungskammer mit Luft; und

v) ein Regelsystem, zumindest mit dem Redoxsensor, dem Gebläse und einem Ventil (10) verbunden, das den Strom von Heizgas steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel (23) auch vorgesehen sind, um eine Anfangstemperatur T&sub1; des Redoxsensors (18, 25) einzustellen, welche Temperatur zwischen der Zündtemperatur T&sub0; des Gemisches und der Umgebungstemperatur liegt, damit ein Sensorsignal S anzeigt, daß das Spülen stattfindet.

5. System nach Anspruch 4, worin der Redoxsensor mindestens einen schraubenförmigen bzw. gewundenen Heizdraht umfaßt und die Regelmittel (23) vorgesehen sind, um den gewundenen Draht auf die beiden verschiedenen Temperaturen T&sub1; und T&sub2; einzustellen.