RU10442U1 - Газовый нагреватель - Google Patents

Abstract

1. Газовый нагреватель, содержащий теплообменник, основную и запальную горелки, вентиль, датчик температуры помещения и температуры воды в теплообменнике (отопительной системе), датчики наличия пламени запальной горелки и тяги, блок автоматики, состоящий из электропривода, отсечного газового клапана, клапана с регулятором температуры воды, клапана с регулятором температуры помещения и вентиля, установленных в канале к основной горелке, отличающийся тем, что после отсечного клапана в канале к основной горелке параллельно клапану регулятора температуры воды и вентилю расположен клапан регулятора температуры помещения с дополнительным вентилем, выходы обоих клапанов связаны с основной горелкой.2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве клапанов и регуляторов температуры воды и помещения используются радиаторные термостаты (термостатические головки и клапаны) водяного отопления.

Description

ГАЗОВЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

Изобретение относится к автоматическим газовым водонагревателям (АГВ) и может быть использовано также в автоматизированных системах нагрева с твердым и жидким топливом различных строений.

Известны автоматизированные газовые нагреватели 1,2, содержат излишнее количество функциональных газовых клапанов (3 клапана), требующие наладки и регулировки как на заводе-изготовителе, так и у потребителя, и отсюда недостаточно надежн то автоматику газового нагревателя.

Известные водонагреватели не решают вопрос минимизации затрат энергоносителей (газа) для нагрева помещения и при его применении все еще остаются значительными затраты времени на перенастройку заданий и управление регулятором температуры воды в теплообменнике. Наличие большого количества клапанов, включенных последовательно на газовом тракте питания основной горелки, ведет к большому перепаду давления и существенному ограничению расхода газа особенно при минимально допустимом давлении газа на входе в АГВ (650 На), приводящему либо к отключению АГВ, либо к заметному уз дшению комфорта в отапливаемом помещении.

Для минимизации затрат энергоносителей и повышения комфортности в отапливаемом помещении было предложено техническое решение 3 . Однако известное устройство имеет недостаточную надежность и ресурс при эксплуатации. Нри его работе, кроме подачи газа, требуется еще и внешнее

МКИЧГ23 N 5/00

электропитание для работы реле времени и катушки электромагнита. Также как ив 1 последовательно на газовом тракте основной и запальной горелки расположен специальный клапан, обеспечивающий запуск и отсечку газа на горелки.

В 4 представлен АГВ, у которого количество клапанов на газовом тракте сокращено с 3 до 2, но сохранены энергосберегающие характеристики 3 и автономность функционирования 1 . Вместе с тем увеличено число термопар и элеюромагнитов до 2-х каждого наименования, а также нагрузка в электрической сети питания электромагнитов клапанов подачи газа на горелки, требующая повышения уровня сигнала, вырабатываемого датчиками пламени запальной горелки, что ведет с одной стороны к увеличению мощности запальной горелки, а с другой применения термоэлектрических преобразователей с большим эдс, что не всегда возможно сделать или ведет к удорожанию АГВ.

Частичное устранение недостатков 4 в части уменьшения числа термопар и электромагнитов с 2-х до 1 каждого наименования и снижения мощности запальной горелки достигается в 5, принятом за прототип. Недостатками этого устройства являются невозможность автоматического задания недельных и суточных режимов отопления; последовательное включение регулирующих клапанов, один из которых связан с регулятором по температуре воды в котле или системе отопления, другой - с регулятором температуры помещения, увеличивает потерю давления газа по пути к основной горелке из-за большого гидравлического сопротивления всего газового тракта от входа в блок автоматики до основной горелки. Далее в известном устройстве 5 регулятор температуры воды в теплообменнике фактически выведен из диапазона регулирования по температуре воды путем его настройки на аварийный режим. Поскольку при последовательном включении в линию газового тракта двух клапанов возможны режимы работы, когда один клапан, например связанный с регулятором по температуре воды.

полностью перекрывает подачу газа к основной горелке. Второй клапан в это время будет работать в холостую, т.к. замкнутые контуры регулирования по температуре воды и по температуре помещения имеют различные постоянные времени для вывода выходной координаты (регулируемого параметратемпературы воды или помещения) в равновесное состояние.

При нарущении равновесного теплового режима на изменение температуры в помещении реагирует только датчик регулятора температуры помещения и входной сигнал отрабатывается только его контуром. Таким образом, при наличии двух регуляторов, материализованных в виде некоторой конструкции блока автоматики с соответствующими финансовыми затратами, фз нкционирует только один регулятор - регулятор по температуре помещения. Это уменьщает надежность всего блока автоматики, потому как, если бы две щтатных системы регулирования функционировали одновременно, то они резервировали бы друг друга, повыщая надежность эксплуатации всего нагревательного аппарата.

Кроме того, существует неуправляемый процесс открытия регулирующего клапана регулятора температуры воды относительно величины давления в системе магистрального газоснабжения АГВ, приводящем при его падении к ухудшению параметров эксплуатации основной горелки водонагревателя.

Так, например в аппарате АОГВ-23,2 предусмотрен только неуправляемый режим малого огня, который обеспечивается расходом газа через сквозное отверстие в седле регулирующего клапана основной горелки, получающего управляющий сигнал от датчика температуры воды в теплообменнике АОГВ. При изменении давления в газовой магистрали менее нижней допускаемой границы нарушается устойчивость режима малого огня при работе АОГВ, т.к. факел огня перемещается в нерабочую зону основной горелки АОГВ, что укорачивает ресурс горелки, может привести к ее деформации и выходу из строя аппарата в целом.

Для устранения отмеченных выше недостатков прототипа предлагается газовый нагреватель, содержащий теплообменник, основную и запальную горелки, вентиль, датчики температуры помещения и температуры воды в теплообменнике (отопительной системе), датчики наличия пламени запальной горелки и тяги, блок автоматики, состоящий из электропривода, отсечного газового клапана, клапана с регулятором температуры воды, клапана с регулятором температуры помещения и вентиля, установленных в канале к основной горелке, отличающийся тем, что после отсечного клапана в канале к основной горелке параллельно клапану регулятора температуры воды и вентилю расположен клапан регулятора температуры помещения с дополнительным вентилем, выходы обоих клапанов связаны с основной горелкой.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство.

Газовый нагреватель содержит теплообменник (бак, котел, емкость) 1, основную горелку 2, запальную горелку 3, датчик 4 наличия пламени запальной горелки, датчик 5 тяги, запорный вентиль 6, блок 7 автоматики безопасности и регулирования (АБР), включающий электропривод 8, например, электромагнит, механически связанный с отсечным клапаном 9, датчик 10 температуры воды в теплообменнике 1 и регулятор (термостат) 1 температуры воды, механически связанный с клапаном 12, датчик 13 температуры помещения и регулятор (термостат) 14 температ ры помещения, механически связанный с клапаном 15, кнопку 16 управления положением якоря электропривода, датчик 17 перегрева воды в теплообменнике 1. Газовый нагреватель подключается к системе отопления помещения трубопроводами 18 подачи горячей воды в систему отопления и 19 обратной воды из системы отопления; газ поступает из магистрали 20 к основной горелке 2 через вентили 6 и 21. Регулятор 14 может быть применен как манометрического, так и электронного типов (с питанием от электросети или автономного) с

ВОЗМОЖНОСТЬЮ задания различных режимов отопления: дежурного, дневного, недельного и др., обеспечивающих энергосбережение.

Газовый нагреватель работает следующим образом.

Включение. Пользователь устанавливает на блоке задания регулятора 14 задание, по температуре помещения, а на блоке задания регулятора 11 задание, соответствующее желаемой температуры воды. При нажатии на кнопку 16 открывается отсечной клапан 9. Вентили 6 и 21 должны быть закрыты. Газ проходит только к запальной горелке 3. Когда пользователь поджигает газ на запальной горелке 3. начинается разогрев датчика 4 наличия пламени. По достижении у датчика 4 требуемой термоэдс катушка электропривода 8 получает электропитание, необходимое для удержания отсечного клапана 9 в открытом состоянии, кнопку 16 можно пользователю отпустить и якорь электропривода 8 открывает доступ газа в канал основной горелки 2. Далее пользователь открывает вентили 6 и 21. Если температура в помещении ниже заданной пользователем, то автоматически открывается клапан 15, включенный в схеме параллельно клапану 12. При этом газ из магистрали 20, пройдя через открытый отсечной клапан 9, поступает на основную горелку 2 одновременно через открытые клапаны 12 и 15, что значительно уменьшает гидpaвJшчecкoe сопротивление газового тракта, ведущего к основной горелке 2, и увеличивает расход газа в переходном режиме нагрева воды в теплообменнике 1. Газ, проходя по каналу к основной горелке 2, загорится от пламени запальной горелки 3. Параллельная схема включения клапанов 12 и 15 значительно сокращает время перехода системы отопления в новое установившееся состояние теплового равновесия. Соотношение расходов газа через клапаны 12 и 15 можно задавать вентилями соответственно 6 и 21, например по воде 40% и по воздуху 60%, или любое другое.

датчика 13 поступает в регулятор 14 и далее его отработает клапан 15, перемещаясь па открытие и увеличивая расход газа к основной горелке 2 для повышения температуры помещения до заданной.

Однако управление подачей газа на основную горелку 2 осуществляется двумя схемами с замкнутыми контурами регулирования, работающими параллельно. На фиг.1 можно выделить эти схемы. Первая схема №1 включает следующие элементы - 13,14,15,2,1,18, приборы отопления системы (на фиг.1 не показаны); вторая схема №2 - 10,11,12,2,18, приборы отопления системы, 19,1. После первой реакции от датчика 13 температуры помещения на клапан 15, через некоторое время приходит второй корректирующий сигнал от датчика 10 температуры воды в теплообменнике на клапан 12, который усредняет подачу газа в канал к основной горелке 2, суммируясь с первым сигналом.

Рассмотрим эти схемы по воздействиям входного сигнала и сигнала внещней помехи.

Отдельно схема №2 регулирования по температуре воды, представляет собой два перекрещивающихся контура обратной связи по температуре воды- от датчика 10, установленного на баке 1, и от температуры воздуха в помещении, датчиком которого фактически является температура воды в обратной магистрали 19, расположенной в помещениях. Схема №2 может быть преобразована в схему одноконтурного регулирования, которая показывает, что внешние воздействия (тепловая помеха) на объект регулирования расположены вне контура, замкнутого обратной связью по температ фе теплоносителя (воды), и проходят по прямой цепи на выход всей системы в полном объеме, изменяя температуру помещения, которая с запозданием компенсируется через контур обратной связи по температуре воды обратной магистрали 19 и далее опять по контуру через датчик 10 сигнала по температуре воды теплоносителя в баке 1.

температуре помещения, являющейся выходным сигналом всей системы регулирования. Такой сигнал проходит на выход системы, ослабленным в «1+КпрКос раз, т.е. деленный на коэффициент усиления в прямой цепи и цепи обратной связи регулирования всего контура, чем уменьшается воздействие помехи на объект регулирования.

По входному сигналу реакция системы отопления в схеме №1 управления по температуре 13 помещения является более быстродействующей (постоянная времени переходного процесса меньше), т.к. выходной сигнал системы непосредственно сразу же передается на вход 13 без обработки в промежуточном контуре, как в случае схемы №2 с управлением по температуре воды обратной магистрали 19 и температуре 10 воды в теплообменнике 1, а также за счет отсутствия дополнительных звеньев- преобразования температуры помещения в температуру теплоносителя, идущего по обратной магистрали 19; смешения объемов нагретой воды в баке 1 и охлажденной воды из обратной магистрали 19; последующего выравнивания температуры воды в объеме всего бака 1 для передачи этой температуры в систему через датчик 10, регулятор 11 и клапан 12, изменяющего расход газа на основную горелку 2.

При совместной работе двух схем регулирования №1 и №2 они дополняют друг друга при выходе на равновесный тепловой режим. При входном сигнале по температуре 13 помещения первая реакция на поддержание заданного режима идет от регулятора 14 по температуре помещения, далее вторая сглаживающая реакция идет от регулятора 11 по температуре воды 10 в теплообменнике 1 и обратной магистрали охлажденной воды, которая характеризует интегральные свойства всего обогреваемого помещения. Необходимо учитывать, что датчик 13 измеряет температуру помещения, которое является контрольным, по температуре которого примерно оценивается степень обогрева всей площади помещения. Общая же средняя оценка прогрева всей площади помещения характеризуется температурой и величиной тепла, содержащегося в объемах воды, которая поступает по обратному трубопроводу

19 В теплообменник 1. При таком регулировании две замкнутые системы поддерживают заданные параметры более качественно и надежно, как бы работая в горячем резерве одна для другой. Этот режим осуществляет частичное энергосбережение за счет более быстрого реагирования контура температуры помещения, уменьщения времени переходного процесса и потребления газа.

Как дополнительное преимзтцество предлагаемого нагревателя можно считать, что при совместной работе регуляторов возможно диагностирование ухудшения теплоотдачи отопительных приборов в помещениях, например, из-за различных в них отложений, когда при подобных режимах отопления и температуре помещения возникают повышенные температуры воды в теплообменнике 1.

При использовании газового нагревателя с 2-х контурной гидравлической системой типа автоматического комбинированного газового нагревателя (АКГВ), в котором имеется второй гидравлический контур для потребления горячей воды, поддержание равновесного теплового режима происходит следующим образом. Первым гидравлическим контуром считается система отопления с приборами отопления.

Пользователь настраивает требуемую температуру задания в баке нагревателя. В этом случае объектом регулирования уже является теплообменник (бак нагревателя), а не помещение (дом), как в ранее описанном случае регулирования. При этом выходным сигналом служит температура теплоносителя в теплообменнике (баке), а сигналом внешней помехи для контура регулирования по температуре теплоносителя, находящегося в баке, будет изменение температуры в помещении. Однако воздействие сигнала помехи будет уменьшено в «l+KnpKoc раз, т.е. деленный на коэффициент усиления в прямой цепи и цепи обратной связи регулирования всего контура, чем уменьшается воздействие помехи на объект регулирования. Что фактически приводит к регулированию по температуре теплоносителя с з еньшенной

погрешностью при воздействии сигнала по температуре помещения. Кроме того, реакция (быстродействие выше) контура регулирования по температуре теплоносителя в баке наступает значительно быстрее и его постоянная времени менее постоянной времени контура по температуре помещения. В контур регулирования по температуре теплоносителя входят элементы (фиг.1) 10,11,12,6,2,1,10 и не входят элементы системы отопления с приборами отопления и объекта нагрева (воздух, предметы и стены объекта). В практической эксплуатации пользователь настраивает, например температуру воды на 60°, и она поддерживается постоянной при отборе горячей воды из 2-го контура нагревателя типа АКГВ, не зависимо от расхода холодной воды, поступающей для нагрева в теплообменник. Поддержание температуры теплоносителя позволяет иметь стабильнзлю температуру во 2-ом гидравлическом контуре АКГВ и пользоваться горячей водой независимо от изменения и настройки по температуре помещения. Летом при температуре в помещении, превыщающей температуру задания, клапан 15 температ фы помещения 13 будет закрыт, однако клапан 12, следящий за температурой теплоносителя 10 и тем самым за температурой горячей воды во 2-ом контуре АКГВ, будет открыт для прохода газа к основной горелке 2. Это явление приведет к некоторому перегреву помещения, величина которого будет определяться временем разбора горячей воды, поскольку в рассмотренных контурах регулирования по температурам теплоносителя и помещения имеются разные постоянные времени.

Аварийный режим. 1) При повышении температуры в теплообменнике 1 по различным причинам более аварийной, например 95 С, срабатывает датчик 17 аварийной температуры, который размыкает или шунтирует цепь электропривода 8. Далее, обесточенный якорь электромагнита 8 под действием возвратной пружины закрывает отсечной клапан 9, подача газа в канал основной горелки 2 и запальной горелки 3 прекращается и температура воды в теплообменнике начинает понижаться, предотвращая аварийную ситуацию по

перегреву теплообменника 1 и сберегая дорогостоящее оборудование пользователя.

2)В случае выхода из строя датчика 4 наличия пламени (термопары) или при угасании пламени на запальной 3 и основной 2 горелках также обесточивается электропривод 8 из-за отсутствия термоэдс и отсечной клапан 9 перекрывает поступление газа в горелки 2 и 3 нагревателя.

3)Также срабатывает отсечной клапан 9 в случае выхода из строя датчика 5, контролирующего тягу в дымоходе при удалении отходов сгорания из камеры теплообменника 1 или при нарушении самой тяги, когда отходы сгорания воздействуют своей температурой на датчик 5. При этом газовый тракт, вед5/1ций к основной 2 и запальной 3 горелкам нагревателя отсечным клапаном 9 отделяется от магистрали 20 газа.

4)При выходе из строя по отдельности регуляторов 11 или 14 со своими клапанами 12 и 15 работа всего нагревателя не прерывается.

Работа в условиях пониженного давления в магистрали. Клапаны 12 и 15 включены в схему параллельно. Когда открыты клапаны 12 и 15 регуляторов температуры воды и помещения, общий газовый тракт, связывающий магистраль 20 и основную газовую горелку 2, имеет уменьшенное гидравлическое сопротивление, потерю давления на клапанах и, следовательно, больший расход газа по сравнению с включением одного клапана 12 или включением клапанов 12 и 15 последовательно. Это преимущество в виде уменьшенной потери давления в условиях пониженного давления в общей магистрали позволяет сохранить работоспособность нагревателя и комфорт при обогреве помещения пользователя. То же преимущество можно отнести к работе нагревателя при функционировании в режиме малого огня.

Работа нри энергосбережении. Регулятор 14 может быть применен как манометрического, так и электронного типов с возможностью задания

нагревателя в режиме более полного энергосбережения необходимо нри установке блоком задания регулятора 14 различных режимов отопления одновременно закрыть вентиль 6, который выключит из процесса совместного регулирования регулятор 12 но температуре воды в теплообменнике 1 (системе отопления).

Кроме того, по желанию пользователя можно устанавливать условия работы нагревателя: 1) совместная работа двух регуляторов по температуре воды 11 и помещения 14; 2) отдельная работа регулятора 14 температуры помещения; 3) отдельная работа регулятора 11 температуры воды в теплообменнике (системе отопления).

Работа нагревателя по условию 2) возможна, если закрыть вентиль 6. Работа нагревателя по условию 3) возможна, если закрыть вентиль 21. Работа нагревателя по условию 1) происходит при открытых вентилях 6 и 21.

Список литературы.

1. Аппарат отопительный газовый бытовой АОГВ-23,2-1-У ГОСТ 20219-74. Руководство по эксплуатации. Жуковское машиностроительное производственное объединение. Жуковский. 1988.

2. Стаскевич Н.Л. и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.Недра.1990. с.351-360.

3. Авторское свидетельство СССР №1721397А1 кл. F23N5/00, опубл.23.03.92. бюлл.№11, приоритет 03.01.90

4.Патент №RU 2056596С1 6F24H9/20. Опубл. 20.03.96. бюлл. №8. приоритет 30.12.92.

5.Свидетельство на полезную модель №RU 5441 Ul 6F23N5/00 опубл. 16.11.97. бюлл. №11. Приоритет 12.09.96.

Claims (2)

1. Газовый нагреватель, содержащий теплообменник, основную и запальную горелки, вентиль, датчик температуры помещения и температуры воды в теплообменнике (отопительной системе), датчики наличия пламени запальной горелки и тяги, блок автоматики, состоящий из электропривода, отсечного газового клапана, клапана с регулятором температуры воды, клапана с регулятором температуры помещения и вентиля, установленных в канале к основной горелке, отличающийся тем, что после отсечного клапана в канале к основной горелке параллельно клапану регулятора температуры воды и вентилю расположен клапан регулятора температуры помещения с дополнительным вентилем, выходы обоих клапанов связаны с основной горелкой.

2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве клапанов и регуляторов температуры воды и помещения используются радиаторные термостаты (термостатические головки и клапаны) водяного отопления.