Schuessler, Michael (Blaue Hofstadt 17a, Marburg-Ginseldorf, 35043, DE)
CECEN, Sadik (Dresdner Str. 8, Lohra, 35102, DE)
ROLLMANN, Juergen (Ober Dem Hohlweg 20, Lollar, 35457, DE)
GERLING, Detlev (Auf Der Ebert 16, Marburg, 35041, DE)
RAUSCH, Rainer (Vorstadt 18, Alsfeld, 36304, DE)
Schuessler, Michael (Blaue Hofstadt 17a, Marburg-Ginseldorf, 35043, DE)
CECEN, Sadik (Dresdner Str. 8, Lohra, 35102, DE)
ROLLMANN, Juergen (Ober Dem Hohlweg 20, Lollar, 35457, DE)
GERLING, Detlev (Auf Der Ebert 16, Marburg, 35041, DE)
| PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Regelung einer Temperatur einer Verbrennungsluft in einer Mischzone (10) eines Brenners (100), mit einer Zuführung der Verbrennungsluft für einen Brennerbetrieb zu der Mischzone (10) über einen Zuführweg (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft in einem ersten Betriebsmodus durch einen ersten Zuführstrang (22) strömt und in einem zweiten Betriebsmodus in einstellbaren Anteilen durch den ersten und/oder einen zweiten Zuführstrang (21 ) strömt, und dass der Verbrennungsluft im ersten Zuführstrang (22) Wärme durch ein ein- und ausschaltbares Heizelement zugeführt wird und im zweiten Zuführstrang (21 ) Wärme aus einer Verbrennungszone zugeführt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der Temperatur der Verbrennungsluft in der Mischzone (10) von einer Solltemperatur die Einstellung der Anteile der Verbrennungsluft und/oder der Schaltzustand des Heizelementes verändert wird, wodurch die Temperatur der Verbrennungsluft in der Mischzone (10) durch Mischung der Verbrennungsluftanteile auf eine Solltemperatur einstellbar ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Mischzone (10) erfasst und mit vorgegebenen Werten verglichen wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungen der Verbrennungsluftanteile durch den ersten und den zweiten Zuführstrang (21 , 22) parallel erfolgen. 5. Verfahren zur Regelung eines Brenners (100), insbesondere eines Ölbrenners, wobei eine Brennerleistung moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung der Verbrennungsluft auf Anteile für einen ersten und/oder zweiten Zuführstrang (21 , 22) und/oder eine Einstellung des Schaltzustandes des Heizelementes (32) in Abhängigkeit des Modulationsgrades nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 verändert wird. 6. Regeleinrichtung (1 ) für einen Brenner (100), insbesondere einen Ölbrenner, mit mindestens einem Zufuhrstrang (21 ) zum Zuführen einer Verbrennungsluft für einen Dauerbetrieb des Brenners (100), wobei der Zufuhrstrang (21 ) eine Wärmeeinrichtung (31 ) zum Vorwärmen der zuzuführenden Verbrennungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Zuführstrang (22) zum Zuführen einer Verbrennungsluft für den Start des Brenners (100) vorgesehen ist, wobei die mindestens zwei Zuführstränge (20) über eine Stelleinheit (4) gekoppelt sind, welche bei Abweichen einer Temperatur der über den Zuführstrang (21 ) für den Betrieb zugeführten Verbrennungsluft den während des Dauerbetriebs gesperrten Zuführstrang (22) für den Start des Brenners (100) öffnet, sodass eine Mischung der über beide Zufuhrstränge (20) zugeführten Verbrennungsluft erfolgt. 7. Regeleinrichtung (1 ) für einen Brenner (100), insbesondere einen Ölbrenner, mit einem Zuführweg (20) zum Zuführen einer Verbrennungsluft zu einer Mischzone für einen Betrieb des Brenners (100), wobei der Zuführweg (20) eine Wärmeeinrichtung (30) zum Vorwärmen der zuzuführenden Verbrennungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführweg (20) einen ersten Zuführstrang (22) mit einem ein- und ausschaltbaren Heizelement (32), einen zum ersten Zuführstrang (22) parallel angeordneten zweiten Zuführstrang (21 ) mit einem aus einer Verbrennungszone beheizbaren Wärmetauscher (31 ) und eine Stelleinheit (4) zur Aufteilung der Verbrennungsluft auf Verbrennungsluftanteile des ersten und zweiten Zuführstranges umfasst, wodurch die Temperatur der Verbrennungsluft in der Mischzone (10) durch Mischung der Verbrennungsluftanteile auf eine Solltemperatur einstellbar ist. 8. Regeleinrichtung (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (4) eingangsseitig mit einer Speiseeinheit zum Zuführen der Verbrennungsluft gekoppelt ist. 9. Regeleinrichtung (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (4) über einen Aktor betätigbare Stellelemente aufweist, um die ausgangsseitig abzweigenden Zufuhrstränge (21 , 22) zu sperren und/oder zu öffnen. 10. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinrichtung (32) des Zufuhrstangs (22) für den Start des Brenners (100) schaltbar ist, sodass während der unterschiedlichen Betriebsmodi des Brenners (100) die Verbrennungsluft erwärmt und/oder unbehandelt zugeführt wird. 1 1 . Regeleinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Temperatur in der Mischzone (10) mindestens eine Temperaturerfassungseinheit (3) im Bereich der Mischzone (10) vorgesehen ist. 12. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Stelleinheit (4) vorgesehen ist, um eine Vorwärmung mindestens eines Verbrennungsluftstroms zu regeln. 13. Brenner (100), insbesondere ein Ölbrenner, zum Erzeugen von Wärmeenergie mittels Feuerung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 12 vorgesehen ist. |
Ölbrenner, Regeleinrichtung sowie Reqelunqsverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur eines Verbrennungsmediums in einer Mischzone eines Brenners nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Brenners, insbesondere eines Ölbrenners, wobei eine Brennerleistung moduliert wird, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Zudem betrifft die Erfindung eine Regeleinrichtung für einen Brenner, insbesondere einen Ölbrenner, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Weiter betrifft die Erfindung einen Brenner, insbesondere ein Ölbrenner, zum Erzeugen von Wärmeenergie mittels Feuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Ölbrenner bekannt. Bei diesen ist ein Verbrennungsluftgebläse im Brenner integriert und besonders bei Brennern geringer Leistung wird das Heizöl in Kleinlast gezündet. In Anlagen, insbesondere Großfeuerungsanlagen, bei denen Öle verwendet werden, die schwieriger zu zünden sind, zum Beispiel schweres Heizöl, wird ein separater gasbefeuerter Zündbrenner genutzt. Generell muss der flüssige Brennstoff im Brennraum möglichst fein zerstäubt werden, um eine große Oberfläche für die Verbrennungsreaktion zu erreichen. Aus Emissionsgründen werden eine lange Verweilzeit und eine möglichst geringe Verbrennungstemperatur angestrebt, um einen guten Ausbrand bei geringer Stickoxidbildung zu erreichen. Ölbrenner sind allgemein mit folgenden Formen der Zerstäubung bekannt: Druckzerstäubung, Rotationszerstäubung und Zerstäubung mittels Zerstäubermedium. Für den Wirkungsgrad eines Ölbrenners ist die Temperatur in einer Mischzone ausschlaggebend.
Besonders bei Feuerungsanlagen für Gebäude ist ein Modulieren eines Brenners wichtig, um die Feuerungsleistung möglichst gut an den aktuellen Wärmebedarf der angeschlossenen Heizkreise anzupassen. Man erreicht damit lange Laufzeiten, wenig Brennerstarts und bei Brennwertkesseln einen guten Wirkungsgrad durch effektive Brennwertnutzung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst konstante Temperatur in der Mischzone in verschiedenen Betriebszuständen und bei veränderter Brennerleistung zu bewirken. Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , des Patentanspruchs 5, des Patentanspruchs 6 und des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Temperatur eines Verbrennungsmediums in einer Mischzone eines Brenners, umfassend den Schritt Zuführen der Verbrennungsluft für einen Brennerbetrieb zu der Mischzone über einen Zuführweg, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft in einem ersten Betriebsmodus durch einen ersten Zuführstrang strömt und in einem zweiten Betriebsmodus in einstellbaren Anteilen durch den ersten und/oder einen zweiten Zuführstrang strömt. Dabei wird der Verbrennungsluft im ersten Zuführstrang Wärme durch ein ein- und ausschaltbares Heizelement zugeführt und im zweiten Zuführstrang wird Wärme aus einer Verbrennungszone zugeführt. Bei einer Abweichung der Temperatur der Verbrennungsluft in der Mischzone von einer Solltemperatur wird die Einstellung der Anteile der Verbrennungsluft und/oder der Schaltzustand des Heizelementes verändert, wodurch die Temperatur der Verbrennungsluft in der Mischzone durch Mischung der Verbrennungsluftanteile auf eine Solltemperatur einstellbar ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur in der Mischzone erfasst und mit vorgegebenen Werten verglichen wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei Feststellung einer Abweichung der Temperatur ein separater Zuführstrang für einen Startmodus geöffnet wird, durch den kühlere Verbrennungsluft zugeführt wird. Der Startmodus ist der Betriebsmodus beim Starten des Brenners.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Brenners, insbesondere eines Ölbrenners, wobei eine Brennerleistung moduliert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung der Verbrennungsluft auf Anteile für einen ersten und/oder zweiten Zuführstrang und/oder eine Einstellung des Schaltzustandes des Heizelementes in Abhängigkeit des Modulationsgrades verändert wird. Dabei wird das Modulieren temperaturabhängig nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung einer Temperatur der Verbrennungsluft in einer Mischzone eines Brenners durchgeführt.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung für einen Brenner, insbesondere einen Ölbrenner, mit mindestens einem Zufuhrstrang zum Zuführen von Verbrennungsluft für einen Dauerbetrieb des Brenners, wobei der Zufuhrstrang eine Wärmeinrichtung zum Vorwärmen des zuzuführenden Verbrennungsmediums aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Zuführstrang zum Zuführen einer Verbrennungsluft für den Start des Brenners vorgesehen ist, wobei die mindestens zwei Zuführstränge über eine Stelleinheit gekoppelt sind, welche bei Abweichen einer Temperatur der über den Zuführstrang für den Betrieb zugeführten Verbrennungsluft den während des Dauerbetriebs gesperrten Zuführstrang für den Start des Brenners öffnet, sodass eine Mischung der über beide Zufuhrstränge zugeführten Verbrennungsmedien erfolgt.
Der Dauerbetrieb des Brenners erfolgt in dem stationären Betriebsmodus des Brenners. Ein Start des Brenners wird über den Betriebsmodus „Start" ausgeführt. Während des Dauerbetriebs ist ein Heizelement in dem Zuführstrang für den Start-Betriebsmodus abschaltbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Regeleinrichtung gekennzeichnet durch einen ersten Zuführstrang mit einem ein- und ausschaltbaren Heizelement, einen zum ersten Zuführstrang parallel angeordneten zweiten Zuführstrang mit einem aus einer Verbrennungszone beheizbaren Wärmetauscher und einer Stelleinheit zur Aufteilung der Verbrennungsluft auf Verbrennungsluftanteile des ersten und zweiten Zuführstranges. Dadurch ist die Temperatur der Verbrennungsluft in der Mischzone durch Mischung der Verbrennungsluftanteile auf eine Solltemperatur einstellbar.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Stelleinheit eingangsseitig mit einer Speiseeinheit zum Zuführen der Verbrennungsluft gekoppelt ist. Die Speiseeinheit umfasst in einer Ausführungsform ein Gebläse zum Einspeisen von Verbrennungsluft. In anderen Ausführungsformen umfasst die Speiseeinheit mindestens eine Öldüse und wahlweise einen Ölvorwärmer zum Einspeisen von Öl.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung sieht weiter vor, dass die Stelleinheit über einen Aktor betätigbare Stellelemente aufweist, um die ausgangsseitig abzweigenden Zufuhrstränge zu sperren und/oder zu öffnen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass jeder Zufuhrstrang eine Wärmeeinrichtung zum Vorwärmen des Verbrennungsmediums aufweist. Zumindest eine Wärmeeinrichtung ist abschaltbar ausgebildet. Zudem sieht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Wärmeeinrichtung des Zufuhrstrangs für den Start des Brenners schaltbar ist, sodass während der unterschiedlichen Betriebsmodi des Brenners das Verbrennungsmedium erwärmt und/oder unbehandelt zugeführt wird.
Noch eine andere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Temperaturerfassungseinheit im Bereich der Mischzone vorgesehen ist, um die Temperatur in der Mischzone zu erfassen.
In wiederum einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine weitere Stelleinheit vorgesehen ist, um eine Vorwärmung mindestens eines Verbrennungsluftstroms zu regeln.
Der erfindungsgemäße Brenner, insbesondere ein Ölbrenner, zum Erzeugen von Wärmeenergie mittels Feuerung, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung vorgesehen ist. Integriert wird der Brenner in ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einer Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, dem erfindungsgemäßen Brenner werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Mit der Erfindung wird die Temperatur in der Mischzone in allen Betriebszuständen, auch bei veränderter Brennerleistung, auf gleichem Niveau gehalten. Somit wird eine gute Robustheit im Betrieb, mit sicheren Brennerstarts und einer emissionsarmen Verbrennung erreicht. Dadurch, dass der Verbrennungsluftvolumenstrom wahlweise durch zwei Kanäle führbar ist, wird im Startbetrieb die Luft über einen Kanal geführt und durch ein bestromtes Heizelement erwärmt. Im stationären Betrieb wird die Luft über einen anderen Kanal geführt und durch einen Rohrwärmetauscher erwärmt. Die Umschaltung der Kanäle in den einzelnen Betriebsphasen ist beliebig regelbar, sodass ein Modulieren möglich ist. Durch das Modulieren auf Kleinlast im stationären Betrieb verringert sich der Volumenstrom der Verbrennungsluft, die Strömungsgeschwindigkeit verringert sich und die Verweilzeit erhöht sich. Eine Temperaturerhöhung wird mittels der Erfindung erkannt und es werden dann entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet, sodass die Temperatur wieder auf ein konstantes, für den aktuellen Betriebszustand günstiges Niveau geregelt wird. Dies erfolgt in einer Ausgestaltung durch Öffnen des ersten Kanals, über den kalte Luft über das nicht bestromte Heizelement in die Mischzone gelangt, wo es sich mit der Luft aus dem Wärmetauscher vermischt und ein gleichbleibendes Temperaturniveau erreicht. Mit diesem Verfahren und/oder einer zugehörigen Mechanik ist es zum einen möglich, die Mischtemperatur während der Modulation auf gleichem Niveau zu halten, zum anderen ermöglicht es, durch eine mögliche geometrische Anpassung des Wärmetauschers und der elektrischen Leistung des Heizelementes die Temperatur auch auf einem höheren/niedrigeren Niveau zu halten. Damit sind auch biogene Brennstoffe mit unterschiedlicher Entzündungstemperatur effizient verbrennbar.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in der einzigen Figur schematisch als Schaltbild einen Brenner eines Heizungssystems mit einer Regeleinrichtung.
Die Figur zeigt schematisch als Schaltbild einen Brenner 100 eines Heizungssystems mit einer Regeleinrichtung 1 . Der Brenner 100 umfasst einen Brennstab 2 für eine Verbrennung eines Verbrennungsmediums. Der Brenner 100 ist vorliegend als modulierender Ölbrenner ausgebildet. Entsprechend ist das Verbrennungsmedium Öl, welches über den Brennstab 2 verbrannt wird. Neben Öl als erstem Verbrennungsmedium wird zudem Luft für eine Verbrennung zugeführt. Das Öl wird über eine Öldüse 5 in eine Mischzone 10, im Bereich vor der Öldüse und innerhalb des Brennstabes 2, gefördert. Luft und Öl werden dort für ein optimales Verbrennungsgemisch gemischt.
Der Verbrennungsluftvolumenstrom wird wahlweise über einen von zwei Zuführsträngen 20 der Mischzone 10 zugeführt. Hierzu führt ein erster Zuführstrang 21 den Luftvolumenstrom für einen Betriebsmodus „stationärer Betrieb" zu der Mischzone 10. Ein zweiter Zuführstrang 22 führt den Luftvolumenstrom für einen Betriebsmodus „Start" zu. Der jeweilige Zuführstrang ist über eine Stelleinheit 4, die einem Gebläse 6 zum Fördern des Luftvolumenstroms nachgeschaltet ist, wählbar. Über die Stelleinheit 4, die als Umschaltklappe und/oder Mischsteiler ausgebildet ist, ist der Luftvolumenstrom verzweigbar.
Im„Starf-Betriebsmodus wird der Luftvolumenstrom über den zweiten Zuführstrang 22 zu einer Wärmeinrichtung 30 geführt, die in dem zweiten Zuführstrang 22 als bestromtes Heizelement 32 ausgebildet ist. Das Heizelement 32 ist schaltbar. Im „Starf- Betriebsmodus wird der zugeführte Luftvolumenstrom in dem zugeschalteten Heizelement 32 erwärmt. Von dort wird der erwärmte Luftvolumenstrom über den Warmluftzufuhrstrang 22a zu der Mischzone 10 weitergeleitet.
Im Betriebsmodus „stationärer Betrieb" wird der über das Gebläse 6 zugeführte Luftvolumenstrom durch die Stelleinheit 4 in den ersten Zuführstrang 21 geleitet. Der so geleitete Luftvolumenstrom gelangt über den ersten Zuführstrang 21 zu und durch eine als Rohrwärmetauscher 31 ausgebildete Wärmeeinheit 30, wo der Luftvolumenstrom erwärmt wird. Die Umschaltung der Zuführstränge 20 erfolgt in den einzelnen Betriebsphasen über einen Servomotor mit einer Luftklappe.
Der Brenner 100 ist für einen Maximallastbetrieb ausgelegt. Durch ein Modulieren auf Kleinlast im stationären Betrieb verringert sich der Volumenstrom der Verbrennungsluft, womit sich auch die Strömungsgeschwindigkeit des Luftvolumenstroms verringert und die Verweilzeit entsprechend ansteigt. Das führt dazu, dass der Luftvolumenstrom mit erhöhter Temperatur in die Mischzone 10 gelangt. Um dieses zu verhindern, ist die Regeleinrichtung vorgesehen. Diese umfasst unter anderem eine als Temperatursensor ausgebildete Temperaturerfassungseinheit 3, welche die Temperaturen im Bereich der Mischzone 10 erfasst. Übersteigt die erfasste Temperatur einen Sollwert, so öffnet der Servomotor den zweiten Zuführstrang 22, der für den Betriebsmodus „Start" vorgesehen ist. Gegenüber dem Start-Betriebsmodus wird das Heizelement 32 nicht zu- oder eingeschaltet, sodass der Luftvolumenstrom, der durch den zweiten Zuführstrang 22 strömt, ohne Erwärmung durch das Heizelement 32 über einen Kaltluftzufuhrstrang 22b in die Mischzone 10 gelangt, wo er sich mit der Luft aus der Wärmeinrichtung 32 (oder dem Wärmetauscher 31 ) vermischt. Über die Regeleinrichtung 1 ist durch entsprechendes Steuern der Stelleinheit 4 ein gleichbleibendes Temperaturniveau in der Mischzone 10 realisiert. Mit der Erfindung ist es möglich, die Mischtemperatur in der Mischzone während der Modulation auf gleichem Niveau zu halten. Durch eine entsprechende Ausbildung ist das Beibehalten einer konstanten Mischtemperatur auch auf einem beliebigen, zum Beispiel einem höheren oder einem niedrigeren, Temperaturniveau möglich. Hierzu müssten ggf. der Wärmetauscher 31 und eine elektrische Leistung des Heizelementes 4 entsprechend angepasst ausgelegt werden. Auf diese Weise ist die Erfindung auch für die Verbrennung biogener Brennstoffe mit unterschiedliche Zündtemperaturen einsetzbar.
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