DE69802468T2

DE69802468T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von einem in einem Brenner aufgeheizten Fluidum

Info

Publication number: DE69802468T2
Application number: DE69802468T
Authority: DE
Inventors: Philippe Pontiggia
Original assignee: Gaz de France SA
Current assignee: Engie SA
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: CZ293688B6; FR2764674B1; ATE208881T1; HUP9801314A3; HU9801314D0; HUP9801314A2; EP0884532B1; HU221671B1; EP0884532A1; PT884532E; CZ181398A3; DK0884532T3; DE69802468D1; FR2764674A1; SK77898A3; ES2167849T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine diesem zugeordnete Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines durch einen Brenner erhitzten Fluids.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine diesem zugeordnete Vorrichtung zur Regelung der Temperatur des in einem abgeschlossenen Raum (oder auch "Austauscher" genannt) eines Wassererhitzers oder eines Wasserkessels durch einen Brenner mit Gasgemisch erhitzten Wassers, der sich in Ruhe mit einer Nulleistung P befinden oder bei einer Leistung P arbeiten kann, die zwischen einer Minimalleistung Pmin nicht null und einer Maximalleistung Pmax höher als die Minimalleistung liegt.
In den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik besteht ein häufig angetroffenes Problem bei der sofortigen Herstellung von heißem Brauchwasser (ECS) darin, daß es für den Brenner des Wassererhitzers oder des Wasserkessels unmöglich ist, einwandfrei zu erhitzen, um geringe Heißwasserdurchsätze zu erhalten (in typischer Weise geringer als ungefähr 5 bis 7 Liter pro Minute). Schuld dafür ist zum Teil der angehobene Wert der Minimalleistung Pmin, welche der Brenner liefern kann. Daraus resultiert, daß dieser Brennertyp zwei Funktionsarten für die kleinen Schöpfdurchsätze folgt:
- Entweder entzündet er sich und bringt sich auf Minimalleistung Pmin. Man arbeitet dann bei festgelegter Leistung, und die Austrittstemperatur des Fluids steigt um so mehr, als der Schöpfdurchsatz schwach ist. Die Austrittstemperatur des Wassers kann dann auf stark angehobene Niveaus (höher als 90ºC) steigen und Verbrennungen verursachen.
- Oder er entzündet sich nicht (es bleibt höchstens die Pilotflamme, wenn sie existiert), um jede Überhitzung des den abgeschlossenen Raum durchquerenden heißen Brauchwassers zu vermeiden. Aber dann erhält man kein heißes Wasser unterhalb eines bestimmten Schöpfdurchsatzes, der Schwellendurchsatz des Wassererhitzers genannt wird und einer Brennerleistung im wesentlichen gleich seiner Minimalleistung entspricht.
Um diesem Problem abzuhelfen, schlägt die EP-A-0.222.972 ein Verfahren zur Regelung der Austrittstemperatur eines Fluids aus einem abgeschlossenen Raum vor, das bei einer Eintrittstemperatur eingegeben wird, die niedriger oder gleich der Austrittstemperatur ist, damit diese Austrittstemperatur dort mittels eines Brenners adaptiert wird, der geeignet ist, sich in einem Ruhezustand mit Nullleistung oder in einem Zündzustand zu befinden, in dem seine Leistung zwischen einer Minimalleistung nicht null und einer Maximalleistung höher als die Minimalleistung liegt, wobei das Fluid den abgeschlossenen Raum mit einem Schöpfdurchsatz von nicht null verläßt, abhängig von welchem man die Leistung des Brenners variieren läßt, und der Brenner entweder fortlaufend oder unterbrochen, abhängig von dem Schöpfdurchsatz, arbeitet.
Andererseits beschreibt die JP-A-07071820 ein Verfahren zur Bestimmung des Degradationsgrades jedes Teils eines Wassererhitzers, wobei der Ertrag jedes Teils mit einem Ertragsbezugswert verglichen wird, wobei der Ertrag n durch die Formel bestimmt wird: n = Qw (Th - Tw)/QgK, wobei
- Qw der Wasserdurchsatz ist,
- Th die Austrittstemperatur ist,
- Tw die Eintrittstemperatur ist,
- Qg der Gasdurchsatz ist,
- K der Brennwert pro Volumeneinheit ist.
Um die Kosten und die Zerbrechlichkeit der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, wie dieser in der EP-A-0.222.972 beschriebenen, zu verringern, schlägt die Erfindung vor, daß der Schöpfdurchsatz durch Berechnung abhängig von einer Bezugstemperatur, wie zum Beispiel der Eintrittstemperatur, mindestens einer gemessenen Temperatur, wie zum Beispiel der Austrittstemperatur, und einer für den Brenner charakteristischen gegebenen Betriebsgröße, wie zum Beispiel dem diesem zugeführten Gasdurchsatz, bestimmt wird.
Dies erlaubt, sich von der Verwendung einer mechanischen, kostspieligen und zerbrechlichen Vorrichtung zur Bestimmung des Schöpfdurchsatzes, wie zum Beispiel eines Durchflußmessers mit Flügelrad oder mit Turbine, zu befreien.
Das Verfahren verwendet eigene berechnete gegebene Größen (Betrieb des Typs "Durchsatzbeobachter") oder direkt mit Hilfe des Meßfühlers erhaltene gegebene Größen, um die gegebene Größe (Schöpfdurchsatz in dem Fall) zu bestimmen, der als Basis für den Durchgang des Brennerbetriebs entweder fortlaufend oder unterbrochen dient, wobei die Brennerleistung dann abhängig von diesem Schöpfdurchsatz adaptiert wird. Es versteht sich, daß der Gasdurchsatz des Brenners durch jede andere für den Brenner wesentliche gegebene Betriebsgröße und abhängig von diesem Durchsatz ersetzt werden kann, wie zum Beispiel die Leistung des zu dem Brenner geschickten Gases (mit Pgaz = Pci*Qgaz, wo Pci der spezifische Heizwert des Gases und Qgaz der Gasdurchsatz ist), durch die Öffnung des Gaszufuhrventils, den Gasdruck aufstromig oder abstromig von dem Ventil oder auch den Koeffizienten des Druckverlustes dieses Ventils.
Gemäß einer zusätzlichen Überlegung und mit dem Ziel, eine zuverlässige und genaue Berechnung des Durchsatzes zu erhalten, wird dieser dynamisch mittels der folgenden Relation bestimmt:
Q = [(n*Pci*Qgaz) - (Mèqu*Cp*(dTs/dt))]/[Cp*(Ts - Tef)]
mit n, der Wirkungsgrad des Brenners,
Pci, der spezifische Heizwert des Gases in W.h/m³,
Qgaz ist der Gasdurchsatz in m3/h
Mèqu ist der Koeffizient, welcher die Trägheit des abgeschlossenen Raums darstellt,
Cp ist die Wärmekapazität des Fluids in J/kg/ºK (4180 für Wasser),
dTs/dt ist der Betrag der Veränderung (Ableitung) der Austrittstemperatur Ts des Fluids am Ausgang des abgeschlossenen Raums, und
Tef ist die Eintrittstemperatur des Fluids in den abgeschlossenen Raum.
Diese Formel erlaubt, sich ständig den Schöpfbedingungen anzupassen, da die Bestimmung dieses Durchsatzes "dynamisch" genannt ist. Tatsächlich berücksichtigt sie nicht nur die Temperaturveränderung des Fluids zwischen dem Eingang und dem Ausgang des abgeschlossenen Raumes, sondern auch den Betrag der Austrittstemperaturveränderung des abgeschlossenen Raumes, d. h. die Schwankungen dieser Austrittstemperatur. Auf diese Weise erlaubt die Berechnung, einen Durchsatz näher an der Realität zu erhalten, was selbstverständlich erlaubt, genauest die für den Brenner geforderte Leistung entsprechend diesem Schöpfdurchsatz zu berechnen. Diese Lösung erlaubt auch, sich von kostspieligen Meßvorrichtungen für den Durchsatz zu befreien, da sie das Wissen über das Verhalten der Vorrichtung und des Brenners verwendet, insbesondere um davon den Wert des Schöpfdurchsatzes abzuleiten.
Ferner geht der Brenner vorzugsweise von einer Betriebsart zur anderen im Vergleich zwischen dem Schöpfdurchsatz und einem Schwellendurchsatz, welchem die Minimalleistung des Brenners entspricht.
So besteht eine gut eingerichtete Grenze zwischen den zwei Betriebsarten des Brenners, wobei diese Grenze festgesetzten Bedingungen am Anfang in Relation zu rein technischen, mit dem Brenner verbundenen Mußvorschriften, welcher eigentlich eine Minimalleistung besitzt, und zu den wirklichen Nutzungsbedingungen (Wert des Schöpfdurchsatzes in Bezug auf den Schwellendurchsatz) entspricht.
Nach einer anderen Überlegung läßt man während der gesamten Zeitdauer, im Laufe welcher der Schöpfdurchsatz, welchem eine bestimmte, für den Brenner erforderte Leistung entspricht, geringer ist als ein Schwellendurchsatz, welchem im wesentlichen die Minimalleistung entspricht, den Brenner unterbrochen mit einer Brennerleistung arbeiten, die alternativ zwischen der Nulleistung und einer Leistung höher oder gleich der Nulleistung desselben variiert, derart, daß man für diese Zeitdauer eine mittlere resultierende Leistung erhält, die geringer ist als die Minimalleistung des Brenners und im wesentlichen gleich der erforderten Leistung.
Diese Lösung erlaubt es, die Regelung der Temperatur des Fluids während kleiner Schöpfdurchsätze zu optimieren, d. h. für einen Durchsatz, der geringer ist als der Schwellendurchsatz. Tatsächlich sah man, daß die Minimalleistung in den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik für einen Schöpfdurchsatz, der geringer ist als der Schwellendurchsatz, häufig zu hoch ist. Mit dieser Lösung ist die durch den Brenner gelieferte Leistung immer dem Schöpfdurchsatz angepaßt, da sie im wesentlichen gleich der geforderten Leistung ist (diese entspricht dem Schöpfdurchsatz). So wird die Temperatur des Fluids, wenn geringe Schöpfdurchsätze gewünscht werden, so geregelt, daß sie nicht zu weit von der Vorschriftstemperatur entfernt ist, was vermeidet, zu heißes oder zu kaltes Wasser zu erhalten. Der alternative Betrieb zwischen einer Nulleistung und einer Leistung höher oder gleich der Minimalleistung erlaubt, unter korrekter Anpassung der Zeitdauern, während welcher der Brenner gelöscht und dann entzündet ist, eine resultierende Leistung zu erhalten, die vollkommen dem Schöpfdurchsatz angepaßt ist. Darüber hinaus ist diese Art "unterbrochen" oder im "sequentiellen Gang" genannt, leicht auf jeden Brennertyp mit Gasgemisch adaptierbar.
Nach einem zusätzlichen Gesichtspunkt begrenzt man während dieser Zeitdauer vorzugsweise die Leistungsänderung des Brenners zwischen seiner Nulleistung und seiner Minimalleistung. So ist über die gesamte Zeitdauer, während welcher der Schöpfdurchsatz geringer als der Schwellendurchsatz ist (dieser entspricht der Minimalleistung), die resultierende mittlere Leistung vollkommen an diesen Schöpfdurchsatz angepaßt. Darüber hinaus wird vermieden, den Brenner bei einer zu stark erhöhten Leistung, starkem Gasverbrauch und Hervorrufen eines zu plötzlichen Temperaturanstiegs des Fluids arbeiten zu lassen. Diese Lösung erlaubt also die Temperaturabstände Fluids bezüglich der Vorschriftstemperatur zu minimieren, wobei der Gasverbrauch des Brenners verringert wird. Die Leistungsschwankungen des Brenners sind also so gering wie möglich, um bestmöglich die betrachteten Schöpfdurchsatzbedingungen zu erfüllen.
Nach einem anderen Gesichtspunkt läßt man, solange der Schöpfdurchsatz, welchem eine bestimmte für den Brenner erforderte Leistung entspricht, höher oder gleich einem Schwellendurchsatz ist, welchem im wesentlichen die Minimalleistung entspricht, den Brenner fortlaufend mit einer Leistung arbeiten, die vorzugsweise höher oder gleich der Minimalleistung ist und die vorzugsweise progressiv und fortlaufend in der Zeit abhängig von dem Schöpfdurchsatz variiert. Diese Betriebsart, "fortlaufende Art" genannt, ist also insbesondere für jeden Schöpfdurchsatz gut geeignet, der höher oder gleich dem Schwellendurchsatz ist, und die Brennerleistung kann in der Zeit abhängig von der Veränderung des Durchsatzes geregelt werden, welcher in diesem Fall immer höher oder gleich dem Schwellendurchsatz bleibt.
So wird, sobald das Fluid zu fließen anfängt, die Brennerleistung immer dem Durchsatz dieses Fluids angepaßt, ob er nun schwach und unter dem Schwellendurchsatz (Durchgang in unterbrochener Weise) oder erhöht und höher als der Schwellendurchsatz ist (Durchgang auf fortlaufende Weise). Dieses Verfahren ist also bei allen ins Auge gefaßten Aufbautypen bezüglich insbesondere mit einem Wassererhitzer oder einem Wasserkessel verwendbar.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Regelung der Austrittstemperatur eines Fluids aus einem abgeschlossenen Raum, das dort hinein bei einer Eintrittstemperatur, welche niedriger oder gleich der Austrittstemperatur ist, eingegeben wird, damit diese Austrittstemperatur dort mitte0 s eines Brenners adaptiert wird, der geeignet ist, sich in einem Ruhezustand mit Nulleistung oder in einem Zündzustand zu befinden, in dem seine Leistung zwischen einer Minimalleistung nicht null und einer Maximalleistung höher als die Minimalleistung liegt, wobei das Fluid den abgeschlossenen Raum mit einem bestimmten Schöpfdurchsatz verläßt, abhängig von welchem die Brennerleistung variiert, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Betätigungseinrichtung des Brenners aufweist, welche durch ein Regelungsmittel gesteuert wird, wodurch das Regeln der Leistung P des Brenners abhängig von dem Schöpfdurchsatz erlaubt wird, entweder unterbrochen mit quasi plötzlich eintretender Veränderung der Leistung über die Zeit oder fortlaufend mit zunehmender und fortlaufender Veränderung der Leistung über die Zeit.
Auf diese Weise werden zwei Betriebsarten vorgeschlagen, wobei jede insbesondere den in der Vorrichtung vorhandenen Durchsatzbedingungen angepaßt ist.
Um sich von mechanischen, kostspieligen und zerbrechlichen Meßmitteln für den Durchsatz zu befreien, wie zum Beispiel Durchsatzmesser mit Flügelrad oder mit Turbine, weist das Regelungsmittel vorzugsweise ferner einen Rechner auf, der einerseits die Bestimmung des Wertes des Schöpfdurchsatzes durch Rechnung erlaubt und andererseits den Vergleich dieses berechneten Schöpfdurchsatzes Q mit einem festgesetzten Schwellendurchsatz Qs erlaubt, damit der Brenner von der unterbrochenen Betriebsart zu der fortlaufenden Betriebsart durch Vergleich zwischen dem Wert des berechneten Schöpfdurchsatzes Q und dem Schwellendurchsatz Qs läuft.
Um zu vermeiden, daß im Anschluß an die Berechnung des Durchsatzes das Resultat entweder zu einem unzusammenhängenden Wert (negativer Durchsatz) oder zu einem mit einem guten Betrieb der Vorrichtung unvereinbaren Wert (Durchsatz höher als die Kapazität der Vorrichtung) führt, wird der Rechner vorzugsweise bei der Zündung mit einem positiven Durchsatz oder null initialisiert und auf einen maximalen Durchsatzwert gesättigt, der zum Beispiel bei der Konstruktion auf ungefähr 20 Liter/Minute festgesetzt ist. Auf diese Weise kann, selbst wenn die Berechnung des Durchsatzes aus mit den wirklichen Benutzungsbedingungen verbundenen Gründen ein nicht verwertbares Resultat ergibt, das Regelungsmittel trotzdem mit Hilfe seiner eigenen Bezugspunkte (Initialisierungsdurchsatz und Maximaldurchsatz) arbeiten und die Brennerleistung abhängig von dem Schöpfdurchsatz unter den besten Bedingungen anpassen.
Die nun folgende Beschreibung erfolgt unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 ein Diagramm unter Darstellung der Entwicklung der Austrittstemperatur, abhängig von dem Schöpfdurchsatz in der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist, in welcher sich der Brenner entzündet und an seine Minimalleistung stößt,
Fig. 2 eine Vorrichtung nach der Erfindung darstellt,
Fig. 3 ein Schaubild des Regelungsalgorithmus nach der Erfindung ist,
Fig. 4 die Änderung der Leistung im stabilisierten Bereich des Brenners abhängig von dem Schöpfdurchsatz für einen Schöpfdurchsatz oberhalb oder gleich einem Schwellendurchsatz darstellt,
die Fig. 5 und 6
jede die Leistungsänderung des Brenners abhängig von der Zeit für einen Schöpfdurchsatz niedriger als derselbe Schwellendurchsatz darstellen.
In der ganzen Beschreibung ist das betrachtete Fluid Wasser, vorzugsweise trinkbar und insbesondere für einen sanitären Bedarf verwendbar (Waschen, Spülen).
Fig. 1 zeigt gut das gestellte Problem, welches die vorliegende Erfindung zu lösen vorschlägt. Man sieht eine Kurve C, welche als Abszisse den Schöpfdurchsatz Q des Fluids (in typischer Weise heißes Brauchwasser) in Litern/Minute hat, und als Ordinate die Austrittstemperatur Ts des Fluids aus dem abgeschlossenen Raum eines Wassererhitzers, in typischer Weise die Wassertemperatur beim Austritt aus einem Wasserhahn (man mißt den Temperaturabstand aufgrund des Durchganges des Wassers in den verschiedenen Leitungen, welche die Stelle des abgeschlossenen Raums, wo das Wasser erhitzt wird, und den Austritt des Wasserhahnes verbinden, wo es austritt, um verwendet zu werden).
Wie man für geringe Schöpfdurchsätze Q (die zwischen ungefähr einem und ungefähr fünf bis sieben Litern pro Minute betragen) sehen kann, ist, je schwächer dieser Schöpfdurchsatz ist, die Austrittstemperatur Ts des Fluids um so höher. Diese kann also 120ºC für einen Schöpfdurchsatz Q im wesentlichen gleich einem Liter pro Minute erreichen, was für eine normale sanitäre Verwendung (Händewaschen, Rasieren) extrem hoch ist. Man weiß, daß der Mensch im Mittel auf bestimmten Körperteilen, wie zum Beispiel den Händen, eine Wassertemperatur erträgt, die zwischen ungefähr 35 und 50ºC liegt. Man kann also vermerken, daß ein Schöpfdurchsatz Q von ungefähr drei Litern pro Minute erreicht werden muß, um unterhalb der genannten Maximaltemperatur zu liegen. Dieser Durchsatz ist mit einer kurzen Benutzung und/oder wenig Wasser benötigenden (Anfeuchten eines Schwamms, Spülen eines Glases oder eines Rasiermessers) wenig vereinbar. Wenn der Benutzer seinen Wasserhahn ein wenig mehr öffnen muß, um den Durchsatz zu erhöhen, um die Wassertemperatur sich verringern bzw. sinken zu sehen, verbraucht er mehr Wasser als er wirklich brauchte, was kostspielig, unnütz und für den Gebrauch wenig angenehm ist. Man sieht so die ganze Nützlichkeit der Erfindung, die nun beschrieben wird und die es erlaubt, eine Austrittstemperatur Ts nahe einer Vorschriftstemperatur Tcons (Wassertemperatur welche der Benutzer zu erhalten wünscht) zu erhalten, insbesondere für geringe Schöpfdurchsätze.
Fig. 2 zeigt eine Heizvorrichtung 1 eines Fluids, welche schematisch dargestellt ist. Diese Vorrichtung 1, die zum Beispiel ein Wassererhitzer oder ein Wasserkessel sein kann, weist einen abgeschlossenen Raum 3 auf, in welchem ein zu erhitzendes Fluid, zirkuliert oder gemäß dem Wert des Schöpfdurchsatzes (positiv oder null) stagniert. Dieser abgeschlossene Raum 3 wird durch einen Brenner 5 erhitzt, vorzugsweise mit Gasgemisch, der aber auch mit Brennstoff oder durch ein anderes brennbares/die Verbrennung bewirkendes Gemisch gespeist werden kann. Dieser Brenner strahlt mindestens eine Flamme 7 aus, die entweder direkt für den Kontakt mit dem abgeschlossenen Raum 3 oder leicht unterhalb herkommt. Eine Betätigungseinrichtung 9 (vom Ventiltyp) steuert das Öffnen und das Schließen der Gasgemischzufuhr des Brenners 5 und erlaubt, die geforderte Leistung Pdem desselben, insbesondere abhängig von dem Schöpfdurchsatz Q, variieren zu lassen, wobei man weiß, daß diese Leistung Pdem der zur Erhitzung von Q Litern Wasser pro Minute notwendigen, ausgehend von kalter Wassertemperatur Tef zu der erforderten Vorschriftstemperatur Tcons, entspricht. Praktisch kann man Pdem auf folgende Weise bestimmen:
Pdem = Q/60*Cp*(Tcons - Tef)
mit Q der Fluiddurchsatz in Litern/Minute
Cp die Wärmekapazität des Fluid, nämlich ungefähr 4180 J/Kg/ºK für Wasser und
Tcons, die Vorschriftstemperatur (oder gewünschte Temperatur) in ºK
Tef, die Eintrittstemperatur des Fluids in dem abgeschlossenen Raum in ºK.
Die Betätigungseinrichtung 9 wird durch ein Regelungsmittel 10 gesteuert, das bei 11 und bei 12 mit zwei Temperaturmeßfühlern vom bekannten Typ (Quecksilber, Thermoelement, Lamelle oder Thermistor) verbunden ist, welche die Eintrittstemperatur Tef des Fluids (kaltes Wasser) in den abgeschlossenen Raum 3 messen (dieser kann in bestimmten Fällen als eine Bezugstemperatur angesehen werden, wenn man berücksichtigt, daß das durch das Netz gelieferte Wasser sich bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur befindet, in welchem Fall die Sonde 11 nicht nötig ist) und die Austrittstemperatur Ts desselben Fluids nach dem Durchgang durch den erhitzten abgeschlossenen Raum 3 messen. In dem Fall der Verwendung von Temperaturmeßfühlern zur Ableitung des Schöpfdurchsatzes Q (in Litern/Minute) kann dieser insbesondere durch folgende Relation mit Hilfe eines in dem Reguliermittel integrierten Rechners bestimmt werden:
Q = k*Qgaz/(Ts - Tef)
mit k = n*Pci/Cp,
wobei n der Ertrag der Vorrichtung ist,
Pci ist der spezifische Heizwert des Gases in W.h/m³,
Qgaz ist der an dem Brenner ankommende Gasdurchsatz in m³/h,
Cp ist die Wärmekapazität des Wassers, nämlich 4180 J/kg/ºK und
Ts und Tef sind die Temperaturen des Fluids am Ausgang und Eintritt des abgeschlossenen Raums, in ºK ausgedrückt.
Es versteht sich, daß der Gasdurchsatz Qgaz des Brenners durch jede andere für den Brenner spezifische, gegebene Betriebsgröße und abhängig von diesem Durchsatz, wie zum Beispiel die dem Brenner zugeführte Gasleistung (mit Pgaz = Pci * Qgaz, wobei Pci der spezifische Heizwert des Gases ist), die Öffnung des Gaszufuhrventils, den Gasdruck aufstromig oder abstromig von dem Ventil oder auch den Druckverlust quer durch dieses Ventil ersetzt werden kann.
Bei dem, Ziel die Messung dieses Durchsatzes zu verbessern, wobei immer die zur Verfügung stehenden gegebenen Größen (Messungen oder Berechnungen) verwendet werden, ist es nichtsdestoweniger vorzuziehen, die folgende, dynamische Rechenformel zu verwenden:
Q = [(n*Pci*Qgaz) - (Mequ*Cp*(dTs/dt))]/[Cp*(Ts - Tef)]
mit n die Ausbeute des Brenners,
Pci der spezifische Heizwiderstand des Gases in W.h/m³,
Qgaz ist der Gasdurchsatz in m³/h,
Mequ ist der Koeffizient, welcher die Trägheit des abgeschlossenen Raums darstellt,
Cp ist die Wärmekapazität des Fluids in J/kg/ºK (4180 für Wasser), und
dTs/dt ist der Veränderungsbetrag (Ableitung) der Temperatur des Fluids beim Ausgang des abgeschlossenen Raumes.
Diese mathematische Gleichung der ersten Ordnung, welche mit Hilfe eines in dem Regelungsmittel integrierten Rechners bestimmt wurde, hat den Vorteil, die Änderung der Austrittstemperatur über die Zeit zu berücksichtigen und darüber hinaus die Änderung der Austrittstemperatur bezüglich der Eintrittstemperatur, was erlaubt, die Messung zu verbessern und ein optimiertes Verhaltensmodell der Vorrichtung zu erhalten und noch dazu sich von der Verwendung kostspieliger und zerbrechlicher mechanischer Teile vom Durchsatzmeßtyp zu befreien, welche durch einfache Temperaturmeßfühler und einen Rechner ersetzt werden.
Um zu vermeiden, daß das Ergebnis dieser Berechnung inkohärent ist (negativer Durchsatz oder höher als die theoretischen Kapazitäten des Durchsatzes der Vorrichtung), wird der Rechner des Regelungsmittels, der ohne erschöpfend zu sein ein elektronischer Schaltkreis vom Mikroprozessortyp, DSP oder Mikro-Controller sein kann, bei der Zündung mit einem Durchsatzwert positiv oder null initialisiert und auf einen maximalen Durchsatzwert gesättigt, der mit den Kapazitäten der Vorrichtung vereinbar ist, nämlich ungefähr 20 Liter/Minute.
Ist der Schöpfdurchsatz Q einmal so bestimmt, kann die Vorrichtung der Fig. 2 nach zwei verschiedenen Arten, abhängig von diesem Durchsatz, arbeiten, "unterbrochene Betriebsart" und "fortlaufende Betriebsart" genannt, wie in dem Schaubild der Fig. 3 und in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist. Der Übergang zwischen den zwei Arten kann mit Hilfe eines bistabilen Relais vom bekannten Hysteresetyp durchgeführt werden, welches in dem Regelungsmittel 10 integriert ist.
Zur Erklärung der Fig. 4 bis 7 empfiehlt es sich, einige Relationen zwischen den verschiedenen vorhandenen Variablen aufzustellen.
Zunächst entspricht jedem Durchsatz Q eine für den Brenner erforderte Leistung, Pdem bezeichnet, die zum Beispiel durch die zuvor genannte Formel bestimmt ist:
Pdem = Q/60*Cp*(Tconsb - Tef)
Einem bestimmten Durchsatz, "Schwellendurchsatz" genannt und Qs bezeichnet, entspricht eine Leistung, "Minimalleistung" genannt und Pmin bezeichnet.
Wenn der Durchsatz Q größer oder gleich dem Schwellendurchsatz Qs (durch Messungen bestimmt und bei der Konstruktion festgelegt) ist, d. h. wenn die erforderte Leistung Pdem, welche von dem Schöpfdurchsatz Q des heißen Brauchwassers abgeleitet ist, höher oder gleich der Minimalleistung Pmin des Brenners 5 ist, dann arbeitet dieser normal, d. h. auf "fortlaufende Betriebsart" über die Zeit und progressiv (Fig. 4), um Wasser bei einer Temperatur Ts im wesentlichen gleich der Vorschriftstemperatur Tcons zu liefern. Mit Hilfe eines Kreises vom bekannten Typ Proportional Integral Abgeleitet und in dem Regelungsmittel 10 integriert, arbeitet dieser in fortlaufender Betriebsart mit Regelung und läßt die Leistung P des Brenners in progressiver und fortlaufender Weise über die Zeit (vorzugsweise ohne Stufe) zwischen Pmin und Pmax abhängig von dem Schöpfdurchsatz Q variieren. Fig. 4 zeigt gut diese Arbeitsweise. Eine Kurve D, welche die Veränderung der Leistung P, abhängig von dem Schöpfdurchsatz Q darstellt, ist dargestellt. Diese zeigt, daß so lange der Schöpfdurchsatz Q im wesentlichen gleich dem Schwellendurchsatz Qs ist, die Leistung P im wesentlichen gleich der Minimalleistung Pmin des Brenners ist. Ist einmal der Schwellendurchsatz Qs überschritten, variiert die Leistung P in fortlaufender und progressiver Weise über die Zeit entsprechend der Kurve D.
Eine andere Arbeitsweise, die interessanteste, was die Erfindung betrifft, ist die Betriebsart »unterbrochen" genannt. Diese Betriebsart wird durch das Regelungsmittel 10 ausgelöst, wenn der Durchsatz Q geringer als der Schwellendurchsatz Qs ist, d. h. wenn die geforderte Leistung Pdem geringer als die Minimalleistung Pmin des Brenners ist. In diesem Fall weist das Regelungsmittel 10 einen Zerhacker vom bekannten Typ auf, der die Betätigungseinrichtung 9 steuert, um alternativ die Gasgemischzufuhr des Brenners 5 zu öffnen und zu schließen und folglich diesen alternativ von einer Leistung null auf eine Leistung P höher oder gleich der Minimalleistung Pmin des Brenners 5 und vorzugsweise gleich Pmin übergehen zu lassen. Dieser Betrieb erlaubt so, über die gesamte Dauer, während welcher der Schöpfdurchsatz Q geringer ist als der Schwellendurchsatz Qs, eine mittlere Leistung Pmoy (berechnete Leistung unter Herstellung der Summe der Doppelintegrale der zerhackten Oberfläche der Kurve der Fig. 5 oder 6) zu erhalten, die geringer ist als die Minimalleistung Pmin des Brenners und im wesentlichen gleich der geforderten Leistung Pdem. Dies erzeugt also eine schwächere Erwärmung für den gesamten Schöpfdurchsatz Q, der geringer ist als der Schwellendurchsatz Qs.
Fig. 5 stellt die Veränderung der Leistung P des Brenners abhängig von der Zeit für einen Schöpfdurchsatz Q (über die Zeit veränderbar oder nicht) dar, der immer geringer ist als der Schwellendurchsatz Qs. Wie man sehen kann, variiert die Leistung P auf gestufte oder zerhackte Weise zwischen einer Nulleistung und einer Leistung, die höher oder gleich der Minimalleistung Pmin des Brenners (gepunktete Linien) ist. Der Wert dieser Leistung P, die größer oder gleich der Minimalleistung Pmin ist, kann während der ganzen Dauer, in welcher der Durchsatz Q nicht variiert (wobei er unter dem Schwellendurchsatz bleibt) veränderlich oder nicht veränderlich sein. Vorzugsweise ist diese Leistung P, die höher oder gleich der Minimalleistung Pmin ist, während der gesamten Dauer, in welcher der Schöpfdurchsatz konstant ist, identisch und steigt an oder verringert sich im wesentlichen mit der Veränderung des Schöpfdurchsatzes Q. Nichtsdestoweniger kann eine andere Lösung ins Auge gefaßt werden. Zum Beispiel ist es möglich, die Leistung P, die größer oder gleich der Minimalleistung ist, auf einen bestimmten Wert festzusetzen, ganz gleich wie der Durchsatz Q (immer geringer als Qs) ist, und die Zeitdauern, während welcher der Brenner bei dieser Leistung abhängig von der Veränderung des Schöpfdurchsatzes Q (siehe den besonderen Fall der Fig. 6) arbeitet, variieren zu lassen. Nichtsdestoweniger ist, wie auch immer die besagte Arbeitsweise ist, während der gesamten Dauer, im Laufe weicher der Schöpfdurchsatz Q geringer ist als der Schwellendurchsatz Qs, die resultierende mittlere Leistung Pmoy, welche mittels der Summe der Doppelintegrale der zerhackten Zone der Fig. 5 berechnet wurde, immer geringer als die Minimalleistung Pmin und ist im wesentlichen gleich der für den Brenner geforderten Leistung Pdem für den betrachteten Schöpfdurchsatz Q. Paßt man die Steuerung des Brenners dem Schöpfdurchsatz Q auf optimale Weise an, ist es möglich, immer während der Zeitdauer, im Laufe welcher das Fluid bei einem Durchsatz Q geschöpft wird, der geringer ist als der Schwellendurchsatz Qs, eine mittlere Leistung Pmoy zu erhalten, die deutlich geringer ist als die Minimalleistung. Tatsächlich reicht es aus, die Zufuhr des Brenners 5 lange zu schließen und sie während eines sehr kurzen Augenblicks bei einer Leistung P zu öffnen, die größer oder gleich der Minimalleistung Pmin ist, um diese mittlere Leistung zu erhalten. Ohne daß es nötig ist, den Wert hervorzuheben, versteht man gut den ganzen Vorteil der Erfindung, welche es erlaubt, eine Leistung zu erhalten, die niedriger ist als die Minimalleistung, während der Brenner theoretisch eine solche Leistung aufgrund von Mußvorschriften theoretisch nicht liefern kann, die an die Qualität und an die Stabilität der Flamme (Zwischen-Zündung) oder an die Verunreinigung gebunden sind.
Fig. 6 ist eine Variante der Fig. 5 unter Veranschaulichung der Veränderung der Leistung P abhängig von der Zeit, immer für einen Schöpfdurchsatz Q (veränderlich oder konstant), der niedriger ist als der Schwellendurchsatz Qs. Man weiß, daß die Temperatur des geschöpften Fluids nicht zu stark um die Vorschriftstemperatur schwanken soll, weil dies eine bestimmte Unbequemlichkeit hervorruft, die schon in den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik (bedeutende Schwankung der Wassertemperatur aufgrund einer schlechten Regelung) angetroffen wurde. Wenn man also die Leistung des Brenners zwischen einer Nulleistung und einer Leistung größer oder gleich der Minimalleistung zu stark variieren läßt, riskiert man, das Fluid während bestimmter Zeitdauern zu stark zu erhitzen. Man muß also den Abstand der Leistung P zwischen der Nulleistung und der Leistung höher oder gleich der Minimalleistung derart verringern, daß die Abstände der Austrittstemperatur des Fluids verringert werden. So wählt man aus, die Leistung des Brenners einzig zwischen einer Nulleistung und seiner Minimalleistung Pmin variieren zu lassen, was den Durchsatz verändert oder nicht (wobei er immer unterhalb Qs bleibt). Wenn der Durchsatz Q ansteigt, reicht es aus, die Zeitdauern während welcher der Brenner bei seiner Minimalleistung gezündet wird zu erhöhen (oder die Zeitdauern, während welcher der Brenner gelöscht ist, zu verringern), und umgekehrt in dem Fall, wo sich der Schöpfdurchsatz Q verringert. Mit Hilfe derselben Integralrechung wie zuvor erhält man auch eine resultierende mittlere Leistung Pmoy, die geringer ist als die Minimalleistung Pmin und im wesentlichen gleich der geforderten Leistung Pdem. Der Vorteil einer solchen Lösung besteht darin, daß sie es vermeidet, das Fluid unnötig auf zu hohe Temperatur zu erhitzen, was einen Energieverlust und Schaden für die Brennerfunktion erzeugt (Betriebssicherheit über die Zeit, stärker störender Lärm aufgrund einer größeren Gasgemischzufuhr).
In den zwei Fällen leitet das Regelungsmittel 10 abhängig von den Schwankungen der Austrittstemperatur bezüglich der Vorschriftstemperatur die Übergangsfrequenz von der Nulleistung zu der Leistung größer oder gleich der Minimalleistung so wie die Zeitdauern, während welcher der Brenner bei jeder dieser Leistungen bleibt, und das mit Hilfe eines integrierten Zerhackers. Diese Steuerung erlaubt, wie zuvor präzisiert wurde, sich den Veränderungen des Schöpfdurchsatzes Q über die Zeit anzupassen.
Die unten stehende Tabelle zeigt gut die günstigen Resultate, die man mit Hilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung für geringe Schöpfdurchsätze Q erhalten kann.
Wie man sehen kann, wird die Vorschriftstemperatur Tcons quasi bis auf einige Grade (im Maximum 3ºC) über die gesamte Periode der Schwankungen erreicht (im wesentlichen gleich der Schöpfdauer), selbst für sehr geringe Schöpfdurchsätze Q. Die Temperaturschwankungen bleiben gemäßigt (5 bis 7ºC) und werden wegen ihrer erhöhten Frequenz vermindert stark durch die Rohrleitung, was den Benutzungskomfort deutlich verbessert, wobei vermieden wird, eine kostspielige Vorrichtung, wie zum Beispiel ein Mischventil, zu benötigen, wobei die Kosten der Bauteile (Zerhacker, Meßfühler, bistabiles Relais oder Kreis PID) sehr verringert sind, weil diese sehr verbreitet sind.
In der unterbrochenen Betriebsart kann sich die Änderung der Leistung zwischen einer Nulleistung und einer Leistung höher oder gleich der Minimalleistung auch durch den Übergang durch mehrere Stufen (doch ohne "Sprung", jedoch mehr auf sich entwickelnde, fortlaufende Weise) für die Leistungen höher als die Minimalleistung vollziehen, sobald die mittlere Leistung unterhalb der Minimalleistung bleibt.
Als Variante kann die Vorrichtung insbesondere einen Primärkreis aufweisen, in welchem ein erstes durch den Brenner erhitztes Fluid zirkuliert, und einen Sekundärkreis, in welchem ein zweites zu erhitzendes Fluid zirkuliert, wobei ein Wärmetauscher es erlaubt, das zweite Fluid mit Hilfe des ersten zu erhitzen. In diesem Fall wird das geschöpfte Fluid (das zweite Fluid) indirekt durch den Brenner erhitzt, aber das Verfahren bleibt identisch, d. h. die Leistung des Brenners variiert abhängig von dem Durchsatz des zweiten Fluids, und insbesondere läßt die Regelungseinrichtung den Brenner in unterbrochener Weise oder in fortlaufender Weise abhängig von dem Durchsatzwert bezüglich eines Schwellendurchsatzes arbeiten, welchem die Minimalleistung des Brenners entspricht.
Der Brenner könnte mit einem anderen Typ von einem brennbaren/die Verbrennung bewirkenden Gemisch, wie zum Beispiel einem Gemisch Brennstoff/Luft arbeiten.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Austrittstemperatur (Ts) eines Fluids aus einem abgeschlossenen Raum (3), das dort hinein bei einer Eintrittstemperatur (Tef), welche niedriger oder gleich der Austrittstemperatur (Ts) ist, eingegeben wird, damit diese Austrittstemperatur (Ts) dort mittels eines Brenners (5) adaptiert wird, der sich in einem Ruhezustand mit Nulleistung (P) oder in einem Zündzustand befinden kann, in dem seine Leistung (P) zwischen einer Minimalleistung (Pmin) nicht null und einer Maximalleistung (Pmax) höher als die Minimalleistung (Pmin) liegt, wobei das Fluid den abgeschlossenen Raum (3) mit einem Schöpfdurchsatz (Q) von nicht null verläßt, abhängig von welchem man die Leistung (P) des Brenners variieren läßt, und der Brenner entweder fortlaufend oder unterbrochen abhängig von dem Schöpfdurchsatz (Q) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schöpfdurchsatz (Q) durch Berechnung abhängig von einer Bezugstemperatur, wie zum Beispiel der Eintrittstemperatur (Tef), mindestens einer gemessenen Temperatur, wie zum Beispiel der Austrittstemperatur (Ts), und einer für den Brenner charakteristischen gegebenen Betriebsgröße, zum Beispiel dem diesem zugeführten Gasdurchsatz (Qgaz), bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schöpfdurchsatz dynamisch mittels der folgenden Relation bestimmt wird:

Q [(n*Pci*Qgaz) - (Mèqu*Cp* dts/dt))]/[Cp*(Ts - Tef)]

mit n, der Wirkungsgrad des Brenners,

Pci, der spezifische Heizwert des Gases in W.h/m³,

Qgaz ist der dem Brenner zugeführte Gasdurchsatz in m³/h,

Mèqu, der Koeffizient, welcher den Wärmeleitwiderstand des abgeschlossenen Raums darstellt,

Cp, die Wärmekapazität des Fluids in J/kg/ºK (4180 für Wasser),

dTs/dt, die Temperaturschwankung über die Zeit (Ableitung) des Fluids am Ausgang des eingeschlossenen Raumes, und

Tef ist die Eintrittstemperatur des Fluids in dem abgeschlossenen Raum.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (5) von einer Funktionsart zur anderen im Vergleich zwischen dem Schöpfdurchsatz (Q) und einem Schwellendurchsatz (Qs) übergeht, welchem im wesentlichen die Minimalleistung (Pmin) des Brenners entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man während der gesamten Dauer, im Laufe welcher der Schöpfdurchsatz (Q), welchem eine bestimmte für den Brenner (5) erforderte Leistung (Pdem) entspricht, geringer ist als ein Schwellendurchsatz (Qs), welchem im wesentlichen die Minimalleistung (Pmin) entspricht, den Brenner (5) unterbrochen mit einer Leistung (P) arbeiten läßt, die alternativ zwischen der Nulleistung und einer Leistung größer oder gleich der Minimalleistung (Pmin) desselben variiert, derart, daß man über diese Zeitdauer eine resultierende mittlere Leistung (Pmoy) erhält, die geringer als die Minimalleistung (Pmin) des Brenners (5) und im wesentlichen gleich der erforderten Leistung (Pdem) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man während dieser Zeitdauer die Leistungsschwankung (P) des Brenners (5) zwischen seiner Nulleistung und seiner Minimalleistung (Pmin) begrenzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man, solange der Schöpfdurchsatz (Q), welchem eine bestimmte erforderte Leistung (Pdem) für den Brenner (5) entspricht, höher oder gleich einem Schwellendurchsatz (Qs) ist, welchem im wesentlichen die Minimalleistung (Pmin) des Brenners entspricht, diesen letzteren fortlaufend mit einer Leistung (P) arbeiten läßt, die größer oder gleich der Minimalleistung (Pmin) ist und die fortlaufend und progressiv über die Zeit, abhängig von dem Schöpfdurchsatz (Q), variiert.

17. Regelungsvorrichtung () der Austrittstemperatur (Ts) eines Fluids aus einem abgeschlossenen Raum (3), das dort hinein bei einer Eintrittstemperatur (Tef) eingeführt wird, die niedriger oder gleich der Austrittstemperatur (Ts) ist, damit diese Austrittstemperatur (Ts) dort mittels eines Brenners (5) adaptiert wird, der geeignet ist, sich in einem Ruhezustand mit Nulleistung (P) oder in einem Zündzustand zu befinden, in welchem seine Leistung (P) zwischen einer Minimalleistung (Pmin) nicht null und einer Maximalleistung (Pmax) liegt, die höher als die Minimalleistung (Pmin) ist, wobei das Fluid den abgeschlossenen Raum (3) mit einem Schöpfdurchsatz (Q) nicht null verläßt, abhängig von welchem man die Brennerleistung variieren läßt, und die Vorrichtung hierfür eine Betätigungseinrichtung (9) des Brenners (5) aufweist, welche durch ein Regelungsmittel (10) gesteuert wird, um die Leistung (P) des Brenners (5) abhängig von dem Schöpfdurchsatz (Q) entweder unterbrochen mit plötzlich eintretender Veränderung der Leistung (P) über die Zeit oder fortlaufend mit zunehmender und fortlaufender Veränderung der Leistung (P) über die Zeit zu adaptieren, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel aufweist zum Berechnen des Durchsatzes (Q) abhängig von einer Bezugstemperatur, wie zum Beispiel der Eintrittstemperatur (Tef), mindestens einer gemessenen Temperatur, wie zum Beispiel der Austrittstemperatur (Ts), und einer für den Brenner charakteristischen Betriebsgröße, wie zum Beispiel dem diesem zugeführten Gasdurchsatz.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel außerdem einen Rechner aufweisen, welcher es erlaubt, den errechneten Schöpfdurchsatz (Q) mit einem festgesetzten Schwellendurchsatz (Qs) zu vergleichen, damit das Regelungsorgan (10) die Leistung (P) des Brenners (5), abhängig von dem berechneten Wert des Schöpfdurchsatzes (Q) in Bezug zu dem Schwellendurchsatz (Qs), adaptiert.

9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner für die Zündung mittels eines Durchsatzwertes (Q) initialisiert wird, der größer oder gleich null ist, und daß er bei einem Maximalwert des Schöpfdurchsatzes (Q), zum Beispiel ungefähr 20 Liter/Minute, gesättigt wird.