专利名称：用于调节供热器周期以改进燃料效率的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于改进供热系统效率的方法与装置，具体地说，涉及利用一台锅炉加热一种流体(例如水或蒸气)以通过一个热交换器把热量传输给一个需要加热的空间的供热系统。
1941年12月16日授权于Osterheld的题为“非峰值水供热系统”的美国专利2，266，245。该专利涉及
“由时间和水温控制的装置，在水箱水量低于一个预定的水量部分且非峰值期开始时水箱中的水是热的情况下，这种装置可导致供热器在这一时刻开始增能，并在水箱水量的一个预定的水量部分在非峰值期开始时是热的情况下，把供热器的增能延迟非峰值期开始之后的一段可调整的、预定的时间长度。”1978年8月22日授权于keeney的题为“用于加热一个装置的控制设备和过程”的美国专利4，108，375。该专利涉及对“供热媒体温度和装置外部温度”的比较，以及把“供热媒体降低到所需的最低温度。”1983年4月26日授权于Cargill等人的美国专利4，381，075。该专利涉及一个“用于供热系统的基于微处理器的控制器”，用于“把热交换器温度调制为户外温度的一个函数，并针对户内热水的生产提供一个补偿期。”1987年1月20日授权于Robinson的题为“锅炉周期控制器”的美国专利4，637，349，。该专利涉及“当外界温度上升时”，通过减少锅炉流温度“减少周期倾向”。有一个传感器“用于补偿控制系统和开启锅炉，以确保回流水进入锅炉时的温度不会降至一个预定的温度值之下。”1987年1月20日授权于Wildgen的题为“对于给定负载减少锅炉序列数量的锅炉控制”的美国专利4，850，310。该专利声称“为了在时间上减少锅炉序列的数量，可把施用于锅炉以启动一个序列去响应一个供热需求的请求信号作为外界温度和上一个供热周期结束以来所逝时间的一个函数被延迟。
1995年11月28日授权于Martensson的题为”一个用于控制供热锅炉的设备“的美国专利5，470，019。该专利声称“测量第二温度水平之上和第一温度水平之下之间的时间，并在锅炉热动开关请求之后，把下一个周期上的供热装置的启动时间延迟一个时间间隔，这一时间间隔是所测时间的一个函数”。该专利还涉及检测龙头水的温度以及在低于预定的龙头水温度时，停止延迟。
本发明的目的本发明旨在无需测量环境温度或测量或依赖所消耗的时间以计算延迟的情况下，减少周期的数量。
本发明的一个目的在于在当前负载证明应该点火燃烧器之前，不断测量当前负载和阻止燃烧器点火。一个目的在于利用供热媒体的热质量即使在锅炉关闭之后，它也能保留热量。本发明对这一保留下来的热量加以利用，结合以之功效更高的燃烧周期，从而节省燃料。对本发明的简要描述本发明是一个由微处理器控制的设备。当把它适当地连接于一个燃气或燃油的热水或蒸汽锅炉时，将可提供更高的燃料效率(因为在指定时间内，总的燃烧器数量减少)。这直接涉及燃料、能量以及资金的节省。本发明的一个附加的好处是由于减少了燃烧周期和锅炉燃烧器的总“开启”时间，从而减少了对电的使用以及降低了维护方面的开销。
试验表明通过延长燃烧器的“关停”时间(甚至是在请求“开启”之后)，将导致每“开启”周期的一个较长的“开启”时间，但减少了总的“开启”周期数目。根据实例，如果一个燃烧器周期性地“关闭”了60分钟，然后“开启”12分钟，这将导致在12小时期间内10次的“运行”总次数以及120分钟的总“开启”时间。因此，如果我们使用本发明的设备，“关闭”周期时间可以改变到80分钟，“开启”时间可为14分钟。当扩展到12小时的周期时，可获得7．7个运行周期的总数，且总“开启”时间为107．8分钟，这将导致与燃烧器相关的实际燃料和电耗减少11．2％，而且燃烧器的“开启”周期数目也减少了23％。
对于热水锅炉应用来说，本发明截取和中断由锅炉的内置的热动开关所发送的致动燃烧器的信号。出于安全方面的原因，锅炉的内置的热动开关决没有被本发明所取消，它只是被中断。锅炉热动开关仍负责锅炉的最高温度的设置。本发明通过在锅炉热动开关“请求供热”的瞬间，取出一个温度读数(通过本发明的尽可能靠近锅炉与／或户内热水供热盘管的排出口的传感器)，确定允许接通电路和其后对锅炉的燃烧器的启动的最佳时机，并存储这些读数。通过相同的传感器(一或多个)，把这些所存储的读数与相继的温度读数进行比较。当各温度读数(当与其相应的存储值进行比较时)之间的所希望的差量(可由用户加以调节)被超过时，电路将得以接通。温度传感器还执行监视供热媒体温度与／或户内水温度的任务，并将在达到一个用户可调节的绝对最小值时，取消对“温度差”的测定(并接通燃烧器电路)。就系统的灵活性而言，温度传感器(一个或多个)可被替代，或与一个依赖于压力的开关或热动开关或任何其它的装置(当所达到所希望的最小温度时，这些装置把传感器信号的引线电气地短路)并行运行。传感器的数目是由具体的安装所决定的，并依赖于应用(即，仅供热、供热和户内热水生成、或仅户内热水生成)。
对于蒸汽锅炉应用来说，本发明截取和中断由锅炉的内置的自动调压器与／或户内热水热动开关所发送的致动燃烧器的信号。为了安全起见，锅炉的内置的自动调压器／热动开关决没有被本发明所取消，它只是被中断。锅炉自动调压器仍负责锅炉的最大压力设置且户内热水热动开关负责最大水温度的设置。本发明通过在锅炉自动调压器或热水热动开关“请求供热”的瞬间，取出一个压力／温度读数(通过本发明的尽可能靠近锅炉与／或户内热水供热盘管的排出口的传感器)，确定允许接通电路和其后对锅炉燃烧器的启动的最佳时机，并把存储这些读数。通过相同的传感器(一或多个)，把这些所存储的读数与相继的温度读数进行比较。当各压力或温度读数(当与其相应的存储值进行比较时)之间的所希望的差量(可由用户加以调节)被超过时，电路将得以接通。本发明的传感器还执行监视供热媒体温度与／或户内水温度的任务，并将在达到一个用户可调节的绝对最小值时，取消对“压力／温度差”的测定(并接通燃烧器电路)。就系统的灵活性而言，压力／温度传感器(一个或多个)可被替代，或与一个依赖于压力的开关、热动开关或任何其它的装置(当所达到所希望的最小温度达到时，这些装置把传感器信号的引线电气地短路)并行运行。传感器的数目是由具体的安装所决定的，并依赖于应用(即，仅供热、供热和户内)。
对附图的简要说明
图1是一张系统图，说明了安装在一个供热系统中的本发明装置。
图2是一张电路图，说明了安装在一个锅炉燃烧器电路中的本发明装置。
图3是本发明的控制电路的一张电路图。
图4是关于各种系统温度的一组图(不使用和使用本发明的操作)。
对附图的详细描述如图1所示，总地用数字2表示的一个供热系统被设计用于加热一个空间4。这一系统包括一个锅炉6。燃烧器8对锅炉6进行点火，以加热锅炉。所述锅炉被常规地使用，无论锅炉实际上是用于烧开水(例如在蒸汽加热应用中)，还是仅仅对水进行加热(例如在压力热水加热应用中)。
来自燃烧器8的火焰10加热锅炉6的内墙14或热交换管(未在图中示出)，锅炉6包括流体的热传输媒体16，例如水或蒸汽，并通过一个传送流体的热传输媒体16的流出口管路17把热量提交给热交换器，例如散热器18。热交换器或散热器18通常位于远离锅炉的空间4中。散热器18把热量传输给空间4。
户内热龙头水是通过让来自户内水供水系统19A的冷水流过盘管19B(它从流体热传输媒体16吸收热量)并从户内热水流出口导管19C流出而生成的。当需要时，可由热水龙头19D流出。
在一个压力热水供热系统中，来自散热器18的冷却水通过返回导管22返回，并通过循环泵24抽回到锅炉6。
在一个蒸汽系统中，锅炉中的蒸汽压力通过流出口导管20把蒸汽提交给散热器18，在那里蒸汽重新冷却成水，并通过返回导管22排回到锅炉6。
某些蒸汽系统没有返回导管。通过向下排回到流出口导管20的方式使冷却水返回。
在一个压力热水系统中，能量值传感器是一个热动开关(thermostat)，或在一个蒸汽系统中为一个自动调压器。能量值传感器26位于锅炉6中，并感应一个低能量，温度或蒸汽压力，在这一温度或蒸汽压力上，锅炉6需要更多的热量。
传统上，传感器26将启通电源27的供电，电源27将向燃烧器8供电并对燃烧器8进行点火，以点燃油或气与空气的混合物，这一混合物在上述的低能量时燃烧并加热锅炉6，直到能量值传感器26感应到一个最大能量时，并在最大能量或最大能量以上终止点火。
然而，在本发明中，沿线路30和34把一个控制电路28插入能量值传感器26和燃烧器8之间。控制电路28完成下列步骤在线路30上感应一个来自能量值传感器26的点火信号；以及通过中断电源，阻止锅炉能量值传感器26点火燃烧器8。控制电路28断开来自能量值传感器26的电路，关闭到燃烧器8的供电。
与此同时，在流出口导管20上，并定位在锅炉的流出口上的是装置38，用于感应在锅炉流出口处的一个能量值。这一流出口能量传感器装置38应是一个能够发送一个可由电路使用的信号的传感器。在一个热水系统中，能量值为温度。存在着各种可加以使用的温度换能器，例如一个温差电偶，但在该应用中当前更可取地应为一个安装在锅炉流出口上的热敏电阻。使用一个负的能量值系数热敏电阻，则上述的热敏电阻拥有一个内在的非线性特性，并在较低的温度上具有较大的电压降，其中非线性特性可起到用于一个控制程序线性地响应热敏电阻电压的一种装置，与此同时，在较低的温度上仍拥有非线性特性和增强的对较小温度下降的感应度的作用。
如果使用线性能量传感器，那么控制程序可以逻辑地感应非线性特性，使系统更快地点火，以响应在较低温度上的较低的能量下降。
在一个蒸汽系统中，流出口能量传感器装置38是一个压力传感器。
流出口能量传感器装置38在锅炉6处感应流出口管路20的一个能量值。流出口能量传感器39在锅炉6处感应户内热水流出口管路19C的一个能量值。控制电路28不断地或以频繁的间隔，监视在传感器38和39处的流出口能量值。控制电路28在第一次点火信号出现时记录流出口能量值。当传感器38或39把一个足够的电压降(低于第一次点火信号出现时的值)传递给控制电路28时，控制电路28允许燃烧器点火。在锅炉不提供户内热水的安装中，将不提供户内热水流出口传感器39或由控制电路加以感应或监视。
图4示出了在时间上的没有使用本发明的一个流出口能量值40，在时间上的使用本发明的一个流出口能值42。不使用本发明，锅炉温度导致热动开关26(图1)在180°F时关闭燃烧器8，并在170°F时打开燃烧器8。在图4中，在时间T0，锅炉刚刚关闭，曲线44缓慢衰减，因为水依然保留在锅炉中。到T1时，房间温度45已降低到一个较低的极限68°F，空间热动开关50(图1)通过电线52向循环泵24提供电能，以向循环泵24发出请求。泵24把来自热交换器18的冷水压入锅炉6。锅炉6中的水温在图4中的T1和T2之间开始下降，用44加以表示。到T2时，锅炉热动开关检测到170°F，并点火燃烧器，当锅炉再次达到180°F时，热动开关很快在T3终止。到T6时，已把足够的热水通过循环泵24压出锅炉6(图1)，并通过散热器18把空间4加热到热动开关50的上限一图4中的72°F。热动开关50停止循环泵24，这减少了锅炉负载和在T6(图4)和T7之间的周期。然而，应当注意的是多少锅炉周期60出现在T2和T6之间。这些周期中的每一个都有一个不能充分燃烧和具有较大空气污染的启动期。
现在，对图4中“使用本发明”的性能图进行对比。到T1时，房间温度45导致房间温度热动开关50(图1)请求水循环泵24经过热敏电阻38从锅炉6的流出口导管20泵取热水16，热敏电阻38把流出口温度42(图4)读作一个电压。热流出口导致流出口温度42在T1和T2之间朝锅炉的温度上升。最终来自散热器18的冷水(图1)重新进入锅炉6，到T2时，锅炉温度62(图4)下降到170°F。
如图2中所示，控制电路28中断从锅炉热动开关26到燃烧器8的供电，并起到阻止锅炉能量值传感器点火锅炉的作用，包括在电源电线48中的一个断路器47，在锅炉6中的能量值传感器26和燃烧器8之间；以及用于可交换地桥接上述的断路器的装置。
然而，在图3中，由开关装置感应热线30上的电压，这一开关装置由热线上的一个电压加以驱动，这一开关装置是一个能够接受宽电压输入范围的电子线路，最好为光隔离器电路70。宽的电压输入范围在24 VAC和240 VAC之间，这一范围可应付本发明人所知的全世界的任何供热系统电源。
当光隔离器检测到锅炉的请求时，电路28监视流出口温度42并记录在T2时的流出口温度。电路28继续监视流出口温度。当控制电路28检测出一个预定的流出口能量值的变化，即由跨热敏电阻38所反映的T2和T3之间的一个预定的温度下降42(图4)(该变化是在第一次点火信号出现时，一个来自流出口能量值的能量下降)时，电路28通过切断继电器74的电流使其回到其正常的关闭状态响应这一变化，因而为燃烧器提供电能并进行点火(因为继电器74被正常关闭，所以发明的一个故障将导致热系统2的正常操作)。
由于所需的流出口温度中变化导致锅炉温度降低到160°F，燃烧器必须保持不再达到它的180°F的上限。这导致了在T2和T6之间较少的燃烧器周期80(图4)。通过消除多次启动的浪费，本发明以较少的燃烧器时间T6以较高的功效以及较少的空气污染，实现了相同的房间温度45。
当系统已关闭了很长的时间，足以允许锅炉或热水盘管达到环境温度时，流出口能量值将不会从燃烧器点火信号时的最初值下降。燃烧器将决不会点火。于是，为了能够实现一个最初的启动，本发明向能量流出口传感器规定了一个最低的极限，在这一最低极限上，一个锅炉热动开关请求将导致燃烧器的立即点火。
可以看出，通过对流出口能量下降做出反应，本发明对供热系统上的当前热负载做出反应。本发明使其自己立即适应负载的变化，因此可以认为本发明能够做为用于对即时的负载变化做出反应，以避免达到一个锅炉能量值低极限的自适应装置。
微处理器程序将在以下4页加以描述。
权利要求
1．一种改进一个供热系统中供热系统效率的方法，这一供热系统拥有一个锅炉；一个用于加热锅炉的燃烧器；一个远离锅炉的热交换器，用于把热量传输给一个需要加热的空间；一个流体热传输媒体，用于把来自锅炉的热量提交给热交换器；一个流出口管路，把流体的热传输媒体传送给上述的热交换器；以及一个在锅炉中的能量值传感器，用于感应一个低能量，在这一能量上锅炉要求更多的热量；在上述的低能量点火上述的燃烧器；感应一个最大能量；以及在最大能量之上终止点火。上述的方法包括感应来自锅炉能量值传感器的一个点火信号；以及阻止锅炉能量值传感器点火燃烧器；与此同时，感应在锅炉处的流出口管路的一个能量值；监视流出口能量值；记录在第一次点火信号出现时的流出口能量值；然后检测一个预定的流出口能量值的变化，该变化是点火信号第一次出现时从流出口能量值的一个能量下降；以及通过点火燃烧器响应这一变化。
2．根据权利要求1的一种方法，其中，能量值是一个温度值，能量值传感器是一个温度传感器。
3．根据权利要求1的一种方法，其中，能量值是一个蒸汽压力值，能量值传感器是一个压力传感器。
4．在一个供热系统中，拥有一个锅炉；一个燃烧器；一个远离锅炉的热交换器，用于把热量传输给一个需要加热的空间；一个流体热传输媒体，用于把热量提交给热交换器；一个流出口管路，把流体的热传输媒体传送给上述的热交换器；以及一个在锅炉中的能量值传感器，用于感应一个低能量值，在这一低能量值上锅炉要求更多的热量，在上述的低能量值点火上述的燃烧器，感应一个最大能量值，以及在最大能量值之上终止点火。其改进包括用于感应来自锅炉能量值传感器的一个点火信号的装置；用于阻止锅炉能量值传感器点火燃烧器的装置；用于感应在锅炉处的流出口的能量值的装置；用于记录在第一次点火信号出现时的流出口能量值的装置；用于监视流出口能量值的装置；用于检测一个预定的流出口能量值的变化的装置，这一变化是一个能量下降；以及用于通过点火燃烧器响应这一变化的装置。
5．根据权利要求4的一种装置，其中，能量值是一个温度值，能量值传感器是一个温度传感器。
6．根据权利要求4的一种装置，其中，能量值是一个蒸汽压力值，能量值传感器是一个压力传感器。
7．根据权利要求4的一种装置，其中，用于阻止锅炉能量值传感器点火锅炉的装置包括在锅炉中的能量值传感器和燃烧器之间的电源供给电线中的一个断路器；以及用于可转换地桥接该断路器的装置。8．根据权利要求7的一种装置，其中，用于感应来自锅炉能量值传感器的一个点火信号的装置包括一个由锅炉能量值传感器响应于一个低能量所接通的一条热线，在这一低能量点锅炉要求更多的热量；以及用于通过热线上的一个电压所致动的开关装置。
9．根据权利要求8的一种装置，其中，用于通过热线上的一个电压所致动的开关装置是一个可宽范围电压输入的电子电路。
10．根据权利要求9的一种装置，其中，该宽范围的电压输入在24AVC和240AVC之间。
11．根据权利要求10的一种装置，其中，热线电子电路包括一个光隔离器。
12．根据权利要求4的一种装置，其中，用于感应在锅炉的流出口的能量值的装置是一个能量值传感器装置，用于生成一个可由电子电路所使用的信号，上述的流出口能量值传感器位于锅炉的流出口。
13．根据权利要求13的一种装置，其中，用于记录在第一次点火信号出现时的流出口能量值的装置是一个电子电路，这一装置通过记录在流出口能量值传感器装置处一个电压来响应开关装置；上述的电子电路还起到监视流出口能量值的作用，它通过监视在流出口能量值传感器处的一个变化的电压实现这一监视；上述的电子电路还起到检测流出口温度变化的作用，它通过响应对应于流出口温度变化的在流出口传感器处的一个变化的电压中的一个预定的变化实现这一检测，通过上述的电子电路致动可转换的桥接装置，从而把能量提供给燃烧器并点火燃烧器。
14．根据权利要求13的一种装置，其中能量值是一个温度值，以及用于感应在锅炉流出口的能量值的装置是一个安装在锅炉流出口处的热敏电阻。
15．根据权利要求13的一种装置，其中，电子线路包括一个微处理器。
16．根据权利要求4的一种装置，其中，当在低于最大负载的情况下工作时，燃烧器周期性地接通和关闭。其中，所进行的改进起到在一个给定时间期限内减少燃烧器周期的个数的作用。
17．根据权利要求16的一种装置，其中，所进行的改进起到减少启动的次数，从而减少空气的污染的作用。
18．根据权利要求16的一种装置，其中，所进行的改进起到增加燃烧器每周期的运行时间，从而导致对燃料利用率的提高的作用。
19．根据权利要求15的一种装置，其中，微处理器是由一个程序加以控制的，且程序拥有其自己的传感器校准例程。
20．根据权利要求19的一种装置，其中，对程序和传感器加以校准，以提高灵敏度和减少预定的流出口能量值减少的变化，这是在较低的锅炉能量值时点火燃烧器所需要的。
21．根据权利要求20的一种装置，其中，流出口传感器是一个负的能量值系数热敏电阻，该热敏电阻拥有一个内在的非线性特性，具有在较低的温度上的较大的电压降，非线性特性起到该程序线性地响应热敏电阻电压，与此同时，使非线性特性和所提高的感应度在较低的温度上产生较小的温度下降的作用。
22．根据权利要求4的一种装置，具有当锅炉能量值接近环境温度时，通过感应能量流出口传感器的一个最低极限立即致动燃烧器的装置，在这一最低极限上一个锅炉的热动开关请求将导致控制电路立即点火燃烧器。
23．根据权利要求4的一种装置，其中，程序包括用于对当前热负载变化做出反应，以避免达到锅炉低能量值的自适应装置。
24．根据权利要求21的一种装置，具有当锅炉能量值接近环境温度时，通过感应于能量流出口传感器一个最低极限立即致动燃烧器的装置，在这一最低极限值上一个锅炉的热动开关请求将导致控制电路立即点火燃烧器；以及其中，该装置可用作为对当前热负载的变化做出反应，以避免达到锅炉低能量值的自适应装置。
全文摘要
一种用于改进供热系统效率的方法与装置。一个电子线路感应来自锅炉能量值传感器(26)例如一个热动开关或自动调压器的点火信号。该电路阻止锅炉能量值传感器点火燃烧器。与此同时,该电路感应在锅炉(6)的流出口管路(20)的一个能量值。在点火信号第一次出现时,该电路监视流出口能量值并记录流出口能量值。然后该电路继续监视流出口能量,直至它检测出一个自最初流出口能量值的能量下降。该电路通过点火燃烧器(10)响应这一能量下降。本发明自适应地响应当前的热负载、减少启停周期的数目、增加每一燃烧器的运行时间,同时,减少了总运行时间、改善了燃料的消耗、并降低了空气的污染。
文档编号F24D19/00GK1294556SQ98813982
公开日2001年5月9日 申请日期1998年3月20日 优先权日1998年3月20日
发明者杰克·哈默 申请人:因特利达因公司