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Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Verbrennung in Heizeinrichtungen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist bekannt, dass unter sonst idealen Bedingungen der Brennstoff in einer Heizeinrichtung dann mit der höchsten thermischen Effizienz und einer niedrigen Produktion von unerwünschten Emissionen verbrennen würde, wenn die einer Heizeinrichtung zugeführte Brennstoff- und Verbrennungsluftmenge eine stöchiometrische Mischung von Gas und Luft bildet, d. h. wenn die zugeführte Luftmenge exakt ausreicht, den zugeführten Brennstoff vollkommen zu oxidieren.
Weiters ist bekannt, dass dieses ideale Brennstoff/Luftverhältnis ohne geeignete Verbrennungsregelung nicht dauerhaft und verlässlich erreicht werden kann. Im Interesse der Energieeinsparung und Vermeidung von Umweltschäden wäre daher die kontinuierliche Regelung der Verbrennung in Heizeinrichtungen zur Sicherstellung einer fortlaufend möglichst hohen thermischen Effizienz und damit verbunden einer niedrigen Produktion von unerwünschten Emissionen erforderlich Der überwiegende Teil der heute in Verwendung stehenden und neu produzierten Heizeinrichtungen wird jedoch ohne eine diesbezüglich geeignete Verbrennungsregelung betrieben, da die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu teuer und/oder technisch unbefriedigend sind. Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der Patentschrift US 4 033 712 A (MORTON) 5. 7.1977 bekannt.
Bei diesem Verfahren wird die maximale Abgastemperatur als Führungsgrösse der Verbrennungsregelung herangezogen.
Gemeinsames Merkmal aller bisher bekannten Verbrennungsregelungen ist, dass diese in ihrem Regelungsablauf die thermische Effizienz der Verbrennung nicht direkt berücksichtigen sondern lediglich ein oder mehrere Begleitergebnis(se) der Verbrennung (wie z.B einzelne Abgaskonzentrationen oder-temperaturen) als Regelgrösse(n) für die Verbrennungsregelung verwenden. Dies bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. Zum einem ist aus diesen Begleitumständen der Verbrennung die jeweilige thermische Effizienz nur unvollständig und deutlich ungenauer als bei einer direkten Messung der jeweiligen Wärmeleistung ableitbar.
Darüber hinaus werden diese Regelgrössen im Regelungsablauf zumeist an Sollwerte angeglichen, die oftmals nicht geeignet sind, die (auf den momentanen Betriebszustand der Heizeinrichtung bezogene) höchstmögliche thermische Effizienz der Verbrennung sicherzustellen.
Ein weiterer Nachteil der meisten bisher bekannten Verbrennungsregelungen liegt darin, dass Messfehler der eingesetzten Sensoren, Sonden etc. zum "geregelten" (durch den Regelungsprozess zwangsweise bewirkten) Schlechterbetrieb der Heizeinrichtung führen.
Der gegenständlichen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein ökonomisches, genaues und zuverlässiges Verfahren (bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens) zur fehlersicheren, Regelung der Verbrennung in Heizeinrichtungen zu schaffen, welche(s) automatisch sicherstellt, dass einer Heizeinrichtung (in Bezug zur zugeführten Brennstoffmenge) gerade soviel Verbrennungsluft zugeführt wird, dass der Verbrennungsprozess mit der (heizeinrichtungsbezogenen) höchstmöglichen thermischen Effizienz (bzw. einem daraus abgeleiteten Ziel) abläuft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 und durch die Merkmale der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 2 gelöst.
Im Unterschied zu den bisher bekannten Verbrennungsregelungen wird bei der gegenständlichen Erfindung nicht die durch den Verbrennungsprozess hervorgerufenen Begleitumstände (Abgastemperatur, Abgaskonzentrationen etc.) sondern direkt das allgemein gewünschte Ergebnis eines Heizeinrichtungbetriebes, nämlich die Wärmeleistung mit einer (an sich bekannten) Messeinrichtung (Wärmezähler) erfasst, welche entsprechende Messsignale an eine Regeleinrichtung weiterleitet. Diese variiert und regelt während konstanter Brennstoffzufuhr die Verbrennungsluftmenge dermassen, dass das empfangene Messsignal (und somit die Wärmeleistung) ein Maximum oder bei Bedarf eine davon abgeleitete oder sonst beabsichtigte Grösse) erreicht.
Mit diesem erfindungsgemässen Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist es nun möglich, dass dem Verbrennungsprozess gerade soviel Verbrennungsluft zugeführt wird, dass die - in Bezug zur zugeführten Brennstoffmenge (und -qualität) und des jeweiligen Betriebszustandes der Heizeinrichtung - maximale Wärmeleistung (somit auch der diesbezüglich geringstmögliche spezifische Brennstoffverbrauch und ein geringes Mass an unerwünschten Emissionen) erzielt wird.
Bei Bedarf kann das o.a. Regelungsprogramm beliebig abgeändert und ergänzt werden um andere Ziele (z. B. die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten) zu verfolgen.
Durch die Wahl der Wärmeleistung (der unmittelbarsten und sichersten Bezugsgrösse für die thermische Effizienz der Verbrennung) als Regelgrösse bzw. durch die Wahl der (jeweils aus dem
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laufenden Versuch ermittelten) maximalen Wärmeleistung als Führungsgrösse der Verbrennung ist es vorteilhafterweise möglich, die anlagenbezogene kontinuierliche Maximierung des
Wirkungsgrades zu erreichen, ohne dass die variablen Einflüsse der Verbrennung (wie z. B. zugeführte Brennstoffqualität und -temperatur, Verbrennungsluftmenge, -temperatur und - feuchtigkeit, Feuerraumtemperaturen und Strahlungszustände, Lastzustand und die im Feuerraum damit verbundenen strömungstechnischen Einflüsse etc. ) samt deren komplexen Beziehungen gemessen und im Regelungsablauf gesondert berücksichtigt werden müssen.
Ebenso kann darauf verzichtet werden, die Begleitumstände der Verbrennung (wie z. B. Abgaskonzentrationen oder
Abgastemperaturen) für den Regelungsablauf heranzuziehen.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung wird die - durch die von der
Regelung initiierte Variation des Brennstoff/Luftverhältnisses hervorgerufene - Variation der
Wärmeleistung dazu benutzt, Regelparameter abzuleiten, die dann dazu herangezogen werden, das Brennstoff/Luftverhältnis während konstanter Brennstoffzufuhr so zu regeln, dass die
Wärmeleistung einen beabsichtigten Wert (z.B das jeweilige Maximum) erreicht. Durch diese
Regelungslogik ist dieses Verfahren auch deutlich fehlersicherer als die bisher bekannten
Verbrennungsregelungen, da das gewünschte Ergebnis der Verbrennung auch dann erzielt wird, wenn die Regelgrösse (Wärmeleistung) betragsmässig sehr ungenau erfasst wird, zumal das
Regelungsprogramm in seiner Grundstruktur nicht mit Absolutwerten arbeitet.
Ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungsregelung gemäss gegenständlicher Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Heizeinrichtung mit einer erfindungsgemässen
Verbrennungsregelung.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Wärmeleistung als Funktion der Luftverhältniszahl A
Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Stärke des Messsignals des Wärmezählers als Funktion der
Verbrennungsluft-Gebläsedrehzahl sowie einen mit Buchstaben markierten Regelungsablauf
Fig. 1 zeigt eine Heizeinrichtung 1, die mit einem drehzahlregelbaren Verbrennungsluftgebläse
2, welches unabhängig von der Brennstoffzufuhr Luft in den Verbrennungs- oder
Nachverbrennungsraum fördert, einem Wärmezähler mit elektronischem Rechenwerk 3 sowie mit einer elektronischen Regeleinrichtung 4 ausgestattet ist. Die primäre Steuerung oder Regelung der
Wärmeleistung dieser Heizeinrichtung 1 erfolgt über die Zufuhr der Brennstoffmenge je Zeiteinheit, welche nicht direkt mit der Verbrennungsluftzuführung gekoppelt sein darf.
Das Messsignal der vom
Wärmezähler 3 erfassten momentanen Wärmeleistung wird der elektronischen Regeleinrichtung 4 zugeführt, welche (bei konstanter Brennstoffzufuhr) jeweils das korrespondierende Wertepaar (Drehzahl na ergibt eine vom Wärmezähler übermittelte Messsignalstärke la) speichert, daraufhin die Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses 2 um einen (aus dem Regelungsablauf vorgegebenen bzw. errechneten) geeigneten Wert ändert (z. B. verkleinert) und die sich danach einstellende Wärmeleistung (Messsignalstärke) mit dem jeweils zuvor gespeicherten Wertepaar (en) Wurde die Wärmeleistung grösser, wird die schrittweise Veränderung der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses 2 in die gleiche Richtung fortgesetzt (z.
B weiter verkleinert), wurde die Wärmeleistung durch die Verringerung der Verbrennungsluftzuführung jedoch kleiner, erfolgt eine Änderung der Drehzahl in die umgekehrte Richtung (siehe hierzu auch die Darstellung in Fig. 3).
In Fig. 2 ist beispielhaft der funktionale Zusammenhang zwischen der Wärmeleistung und der Luftverhältniszahl A dargestellt. Eine Erhöhung der Luftverhältniszahl A innerhalb des Sektors A dieses Schaubildes führt zu einer Zunahme der Wärmeleistung ; (weitere) Erhöhung der Luftverhältniszahl A innerhalb des Sektors B führt zu einer Abnahme der Wärmeleistung.
Vorausgesetzt wird, dass eine Zunahme der Verbrennungsluftmenge (z. B. durch eine Erhöhung der Gebläsedrehzahl) zu einer Vergrösserung der Luftverhältniszahl A führt.
Aus Fig. 3 ist abzuleiten, dass eine Änderung der Verbrennungsluft-Gebläsedrehzahl eine Änderung der Messsignalstärke des Wärmezählers bewirkt Gemäss der (hier verkürzt dargestellten) Regelungslogik variiert die Regeleinrichtung die Gebläsedrehzahl in geeigneter Weise dermassen, dass sie das (bezogen auf die momentane Brennstoffzufuhr und die übrigen Verbrennungsverhältnisse) jeweils stärkstmögliche Messsignal erhält. Beispielsweise beginnt der Regelungsprozess mit der Gebläsedrehzahl na bei welcher sich eine Messsignalstärke la (Wärmeleistung Pa) einstellt.
Als erster Regelungsschritt ist beispielsweise eine Verkleinerung der Gebläsedrehzahl vorgesehen, sodass die Gebläsedrehzahl nb und die Messsignalstärke lb erreicht wird Die Regeleinrichtung vergleicht die beiden Messsignalstärken und erkennt, dass lb grösser als la ist, also die Messsignalstärke stärker wurde und setzt daraufhin die Verkleinerung der
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Gebläsedrehzahl auf den Wert nc fort Da das sich einstellende Messsignal lc wiederum stärker wurde, wird die schrittweise Verkleinerung der Gebläsedrehzahl (über die Punkte D, E und P) fortgesetzt Das Sinken der Messsignalstärke von le auf li veranlasst die Regeleinrichtung, die Messsignalstärke le (erreicht bei der Gebläsedrehzahl Ve) als (momentanen) Höchstwert zu erkennen und zu halten Weitere geeignete regelungstechnische Vorkehrungen (wie z.
B. ein pro- grammiertes, periodisches Pendeln der Gebläsedrehzahl um den (jeweiligen) Messsignalstärke- Höchstwert ermöglichen, dass Änderungen im Verbrennungsablauf (z. B durch eine Vergrösserung der Brennstoffzufuhr) von der Regeleinrichtung rasch erkannt und im Sinne der Aufgabenstellung (z. B. Maximierung der Brennstoffausbeute) verarbeitet werden können.
Diese erfindungsgemässe Verbrennungsregelung kann im Bedarfsfall auch mit bisher bekannten Verbrennungsregelungen kombiniert werden.
Patentansprüche:
1 Verfahren zur Einstellung des Verhältnisses von Brennstoffmenge zu der einer
Heizeinrichtung zugeführten Verbrennungsluftmenge, wobei während konstanter
Brennstoffzufuhr ein die Effizienz der Verbrennung charakterisierender Parameter gemessen und zur Regelung der zugeführten Verbrennungsluftmenge herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von einer Heizeinrichtung abgegebene Wärmeleistung kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen gemessen wird und dass die so gewonnenen
Messsignale einer Regeleinrichtung zugeführt werden, welche zumindest zeitweise die der
Heizeinrichtung zugeführte Verbrennungsluftmenge derart variiert, dass die jeweilige
Wärmeleistung zumindest annähernd ein Maximum erreicht oder eine andere festgelegte
Aufgabe, beispielsweise die Minimierung einer Emissionskomponente, bestmöglich erfüllt wird.