SK77898A3

SK77898A3 - Method and device for controlling the leaving temperature of a fluid heated by a burner

Info

Publication number: SK77898A3
Application number: SK778-98A
Authority: SK
Inventors: Philippe Pontiggia
Original assignee: Gaz De France
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 1999-04-13
Also published as: HUP9801314A3; EP0884532B1; CZ181398A3; EP0884532A1; HU9801314D0; HUP9801314A2; FR2764674B1; PT884532E; CZ293688B6; HU221671B1; DK0884532T3; DE69802468D1; ES2167849T3; FR2764674A1; DE69802468T2; ATE208881T1

Description

SPÔSOB REGULÁCIE VÝTOKOVEJ TEPLOTY KVAPALINY Z OHRIEVACIEHO PRIESTORU A ZARIADENIE NA JEHO USKUTOČNENIE

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu a zariadenia na reguláciu teploty kvapaliny ohrievanej horákom, najmä vody ohrievanej v ohrievacom priestore (nazývanom rovnako „výmenník,,) ohrievača vôd alebo kotla horákom pracujúcim s plynovou zmesou, ktorý môže pracovať v pokoji s nulovým výkonom P alebo môže pracovať s výkonom P medzi nenulovým minimálnym výkonom Pmin a maximálnym výkonom Pmax, vyšším ako je uvedený minimálny výkon.

Doterajší stav techniky

V zariadeniach podľa stavu techniky je problémom, ktorý sa často vyskytuje pri okamžitej výrobe teplej úžitkovej vody, nemožnosť, aby horák ohrievača vody alebo kotla vykonával správne ohrev tak, aby sa získali malé prietokové množstvá horúcej vody (v typickom prípade okolo 5 až 7 litrov za minútu). To sčasti vyplýva z vysokej hodnoty minimálneho výkonu Pmin, ktorý môže poskytnúť horák. Z toho vyplýva, že tento typ horáku pracuje v dvoch funkčných režimoch pri malých čerpacích výkonoch. Jedným z funkčných režimov je, že sa horák zapáli a uvedie sa na minimálny výkon Pmin., pracuje potom pri pevnom výkone a výstupná teplota kvapaliny sa bude zvyšovať o to viac, o čo nižší bude čerpací výkon. Výstupná teplota vody môže vystúpiť na veľmi vysoké hodnoty (vyššie ako 90 °C) a vyvolávať spálenie. Iným z funkčných režimov je, že sa nezapáli (horí iba večný plamienok, ak existuje), aby nedošlo k prehrievaniu teplej vody, prechádzajúcej ohrievacím priestorom. V takomto prípade sa však pod určitým prietokovým množstvom, nazývaným prahový prietok ohrievanej vody a zodpovedajúcom výkone horáku, v podstate rovnému minimálnemu výkonu, nezíska teplá voda.

Určité prípady použitia (holenie, umývanie rúk alebo potravín) vyžadujú malé prietokové množstvá na výstupe z kohútika s „vlažnými,, teplotami, t.j. od okolo 25 do 45 °C.

946/B

Jedným z možných riešení je, že sa horák nechá pracovať pre malé prietokové množstvá s malým výkonom. Pri malom výkone však vznikajú problémy so stabilitou plameňa a kvalitou spaľovania (riziko znečisťovania ovzdušia, prípadne so zanášaním horákov; strata účinnosti) a vzájomným zapaľovaním sád horákov horákového zariadenia. Atmosférické horáky teda majú nutne minimálnu úroveň výkonu, keď sú už raz zapálené, a táto minimálna úroveň je príliš vysoká pre malé čerpané prietokové množstvá.

Iným riešením je spojenie ohrievača vody alebo kotla so zmiešavacou batériou, ktorá by mala umožniť, po jej nastavení tak, že udáva nastavenú teplotu, dodávanie vody v podstate na tejto teplote. V tomto prípade sa regulácia teploty vody vykonáva, okrem eventuálnej regulácie ovládania výkonu horáku, priamo v zmiešavacej batérii pridávaním alebo naopak škrtením prívodu studenej vody k prúdu teplej vody a zmiešavacia batéria slúži iba na reguláciu výtoku kvapaliny. Toto riešenie sa však málo hodí pre malé čerpacie prietoky, je pomerne chúlostivé (používa prvky, ktoré sú stále v pohybe, kvôli prispôsobovaniu prietokových množstiev teplej vody pochádzajúcej z kotla a studenej vody) a vyžaduje takmer konštantné prispôsobovanie (realizované vo vnútri samotného výtokového ventilu) medzi prietokovým množstvom teplej a studenej vody.

Toto druhé riešenie je tiež pomerne nákladné, a to jednak z dôvodov nákladov na samotnú zmiešavaciu batériu (pripojenú k prívodu teplej vody z ohrievača) prídavné k prívodu studenej vody, napájajúcemu ohrievač. Toto vyhotovenie tiež nerieši problém výkonu horáku pred zmiešavacou batériou, ktorý v každom prípade zostane väčší alebo rovnako veľký ako minimálny výkon bez ohľadu na výtokové množstvo. U malých prietokových množstiev môže dôjsť k „slučkovému,, javu. Voda vystupujúca z ohrievacieho priestoru je v tomto prípade príliš horúca, lebo výkon horáku je príliš vysoký (i keď je minimálny), zmiešavacia batéria pridáva studenú vodu, čo vedie k zvyšovaniu čerpacieho prietokového množstva na výstupe z výtoku, pričom toto nie je žiaduce zo strany užívateľa a dochádza k plytvaniu vodou.

Vynález si kladie za úlohu vyriešiť aspoň sčasti vyššie uvedené nevýhody a navrhnúť jednoduché, účinné a málo nákladné riešenie, prispôsobiteľné radu typov

946/B ohrievacích zariadení pre kvapaliny, opatrených plynovým horákom, ako je ohrievač vody alebo kotol.

Podstata vynálezu

Vynález prináša spôsob regulácie výstupnej teploty kvapaliny z ohrievacieho priestoru, ktorá vstúpila do ohrievacieho priestoru pri vstupnej teplote menšej alebo rovnej výtokovej (výstupnej) teplote (nižšej ako výstupná teplota alebo rovnej výtokovej teplote - ďalej kvôli jednoduchosti: menšej alebo rovnej), aby sa táto výstupná teplota prispôsobila prostredníctvom horáku uspôsobeného na to, aby v pokojnom stave mal nulový výkon alebo aby mal v zapálenom stave výkon medzi nenulovým minimálnym výkonom a maximálnym výkonom vyšším ako je uvedený minimálny výkon, pričom kvapalina výstupuje z ohrievacieho priestoru s nenulovým čerpaným prietokovým množstvom, v závislosti od ktorého sa mení výkon horáku, pričom horák pracuje buď v plynulom režime alebo v prerušovanom režime v závislosti od čerpaného prietokového množstva.

Podľa jedného znaku bude horák prechádzať z jedného funkčného režimu do druhého funkčného režimu na základe porovnávania medzi čerpacím prietokovým množstvom a prahovým prietokovým množstvom, ktorému zodpovedá minimálny výkon horáku.

Bude tak existovať dobre vymedzená hranica medzi dvoma funkčnými režimami horáku, pričom táto hranica bude zodpovedať východiskovým pevne stanoveným podmienkam v závislosti od čisto technických znakov horáku, majúceho minimálny výkon a reálne podmienky použitia (hodnota čerpacieho prietokového množstva vzhľadom k prahovému prietokovému množstvu).

Aby nebolo potrebné používať nákladné a chúlostivé mechanické zariadenie na určovanie čerpacieho prietokového množstva, ako je prietokomer so skrutkovnicovým prostriedkom alebo turbínový prietokomer, vynález navrhuje určovať hodnotu čerpaného prietokového množstva výpočtom v závislosti od referenčnej teploty, ako je vstupná teplota, najmenej jednej nameranej teploty, ako je

946/B výtoková teplota a prevádzkového údaju horáku, ako je prietokové množstvo plynu, privádzané do horáku.

Spôsob tak používa vnútorné vypočítané dáta (funkcie typu „pozorovateľa prietoku,,) alebo získané priamo pomocou čidla na určenie dát (aktuálneho čerpaného prietokového množstva), ktoré budú slúžiť ako základ pre prechod na funkciu horáku buď v plynulom režime alebo v prerušovanom režime, pričom výkon horáku je prispôsobený v závislosti od čerpaného prietokového množstva. Rozumie sa, že prietokové množstvo plynu v horáku môže byť nahradené akýmkoľvek vnútorným údajom horáku závislým od tohto prietokového množstva, ako je napríklad výkon plynu privádzaného do horáku (s Pgaz = Pci * Qgaz, kde Pci je výhrevnosť plynu), otvorenie ventilu na prívode plynu, tlak plynu na vstupnej a výstupnej strane ventilu alebo i súčiniteľ straty tlaku tohto ventilu.

Podľa ďalšieho znaku vynálezu je kvôli dosiahnutiu spoľahlivého a presného výpočtu prietokové množstvo definované dynamicky pomocou nasledujúceho vzťahu:

Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))]/[Cp * (Ts - Tef)[, kde n je účinnosť horáku,

Pci je výhrevnosť plynu v W.h/m-,

Qgaz je objemový prietok privádzaného plynu v m-/h,

Méqu je súčiniteľ predstavujúci tepelnú zotrvačnosť ohrievacieho priestoru, Cp je tepelná kapacita kvapaliny v J/kg/K (4180 pre vodu), dTs/dt je zmena teploty (derivácia) kvapaliny na výstupe z ohrievacieho priestoru v čase a

Tef je vstupná teplota kvapaliny do ohrievacieho priestoru.

Tento vzorec dovoľuje trvalo sa prispôsobovať podmienkam čerpania, lebo určenie tohto prietokového množstva je tzv. „dynamické,,. Berie do úvahy nielen výchylku teploty kvapaliny medzi vstupom a výstupom ohrievacieho priestoru, ale tiež mieru zmeny výstupnej teploty z ohrievacieho priestoru, t.j. výchyliek tejto výtokovej (výstupnej) teploty. Výpočet tak dovoľuje získať prietokové množstvo bližšie

946/B skutočnosti, čo samozrejme dovoľuje presnejšie vypočítať požadovaný výkon horáku, zodpovedajúci tejto výtokovej teplote. Toto riešenie dovoľuje tiež zbaviť sa nákladných meraní prietokového množstva, pretože využíva znalosť správania zariadenia a horáku, hlavne kvôli odvodzovaniu čerpaného prietokového množstva.

Podľa ďalšieho znaku vynálezu sa po celú dobu, po ktorú je čerpacie prietokové množstvo, ktorému zodpovedá určitý výkon, požadovaný od horáku, nižšie ako je prahové prietokové množstvo, ktorému v podstate zodpovedá minimálny výkon, sa necháva horák pracovať v prerušovanom režime, s výkonom, ktorý sa mení striedavo medzi uvedeným nulovým výkonom a výkonom väčším ako je minimálny výkon horáku alebo rovným minimálnemu výkonu horáku, takže sa po túto dobu získa výsledný stredný výkon nižší ako je minimálny výkon horáku a v podstate rovný požadovanému výkonu.

Toto riešenie dovoľuje a optimalizuje reguláciu teploty kvapaliny pri malých čerpaných prietokoch, t.j. pri prietokovom množstve nižšom ako je prahový prietok. V zariadeniach podľa stavu techniky je minimálny výkon často príliš vysoký pri čerpanom prietokovom množstve nižšom ako je prahový prietok. Pri tomto riešení bude výkon, poskytovaný horákom, vždy prispôsobený čerpanému prietokovému množstvu, lebo bude v podstate rovný požadovanému výkonu (ktorý zodpovedá čerpanému prietokovému množstvu). Keď sa budú požadovať malé prietokové množstvá, tak bude teplota kvapaliny regulovaná na hodnotu, aby nebola príliš vzdialená od nastavenej hodnoty, čo vylučuje, aby voda bola príliš horúca alebo studená. Striedavá funkcia medzi nulovým výkonom a výkonom väčším ako minimálny výkon alebo rovným minimálnemu výkonu, dovoľuje pri správnom prispôsobovaní doby, po ktorú je horák zhasnutý a potom zapálený, dosiahnuť výsledný výkon dokonale prispôsobený čerpanému prietokovému množstvu. Navyše je tento tzv. „prerušovaný,, režim alebo „postupný chod,, ľahko prispôsobiteľný každému typu horáku pracujúcemu s plynovou zmesou.

Podľa ďalšieho znaku vynálezu sa počas tejto doby obmedzuje výchylka výkonu horáku medzi jeho nulovým výkonom a minimálnym výkonom. Po celú dobu trvania, po ktorú bude čerpané prietokové množstvo nižšie ako prahové prietokové množstvo (ktoré zodpovedá minimálnemu výkonu), bude výsledný stredný výkon i

946/B dokonale prispôsobený tomuto čerpanému prietokovému množstvu. Navyše sa odstráni nutnosť nechať fungovať horák s príliš vysokým výkonom, ktorý značne spotrebováva plyn a vyvoláva príliš náhle zvýšenie teploty kvapaliny. Toto riešenie teda dovoľuje minimalizovať výchylky teploty kvapaliny vzhľadom k nastavenej teplote pri súčasnom znížení spotreby plynu v horáku. Výchylky výkonu horáku teda budú čo najmenšie kvôli tomu, aby čo najlepšie zodpovedali uvažovaným podmienkam čerpaného prietoku.

Podľa ďalšieho znaku vynálezu, keď je čerpané prietokové množstvo, ktorému zodpovedá určitý výkon požadovaný na horáku, väčšie alebo rovné prahovému prietokovému množstvu (prietokové množstvo väčšie ako prahové prietokové množstvo alebo rovné prahovému prietokovému množstvu, ďalej kvôli jednoduchosti: väčšie alebo rovné prahovému prietokovému množstvu), ktorému zodpovedá v podstate minimálny výkon horáku, sa nechá horák pracovať v plynulom režime, s výkonom, ktorý je väčší ako minimálny výkon alebo rovný minimálnemu výkonu a ktorý sa mení plynulé a progresívne v čase v závislosti od čerpaného prietokového množstva. Tento funkčný režim, nazývaný „plynulý režim,,, bude teda obzvlášť dobre prispôsobený akémukoľvek čerpanému prietokovému množstvu, vyššiemu ako je prahové prietokové množstvo alebo rovnému prietokovému množstvu a výkon horáku bude môcť byť regulovaný v závislosti od kolísania prietokového množstva, ktoré zostane v tomto prípade vždy väčšie ako prahové prietokové množstvo alebo rovné prahovému prietokovému množstvu.

Od okamihu, kedy kvapalina začne tiecť, tak bude výkon horáku vždy prispôsobený prietokovému množstvu tejto kvapaliny, aby bol nízky a nižší ako prahové prietokové množstvo (prechod do prerušovaného režimu) alebo vysoký a vyšší ako prahové prietokové množstvo (prechod do plynulého režimu). Tento spôsob je teda použiteľný vo všetkých typoch usporiadania, aké možno použiť vo vzťahu hlavne k ohrievaču vody alebo kotla.

Vynález sa tiež týka zariadenia na reguláciu výtokovej (výstupnej) teploty kvapaliny mimo ohrievací priestor, ktorá bola do neho privedená pri vstupnej teplote nižšej ako výtoková teplota alebo rovnej výtokovej teplote kvôli tomu, aby táto výtoková teplota bola prispôsobená prostredníctvom horáka, prispôsobeného na to,

946/B aby v pokojnom stave nulového výkonu alebo v zapálenom stave, v ktorom je jeho výkon medzi nenulovým minimálnym výkonom a maximálnym výkonom vyšší ako je uvedený minimálny výkon, pričom táto kvapalina vystupuje z ohrievacieho priestoru s nenulovým čerpaným prietokovým množstvom, v závislosti od ktorého sa mení výkon horáku, pričom zariadenie na tento účel obsahuje ovládací mechanizmus horáku, riadený regulačným prostriedkom na prispôsobovanie výkonu horáku v závislosti od čerpaného prietokového množstva, a to v prerušovanom režime s takmer okamžitou výchylkou výkonu v čase alebo v plynulom režime s progresívnou a plynulou výchylkou výkonu v čase, pričom zariadenie podľa vynálezu obsahuje prostriedky pre výpočet prietokového množstva na základe referenčnej teploty ako vstupnej teploty, najmenej jednej nameranej teploty ako je výtoková (výstupná) teplota a prevádzkového údaja horáku ako je prietokové množstvo plynu do neho privádzaného.

Sú tak navrhnuté dva funkčné režimy, z ktorých každý je obzvlášť prispôsobený podmienkam v zariadení.

Aby bolo možné vypustiť nákladné a chúlostivé mechanické prostriedky na meranie prietoku ako sú prietokomery so skrutkovnicovým členom alebo turbínou, obsahuje regulačný prostriedok s výhodou ďalej počítací prostriedok umožňujúci porovnávať čerpané prietokové množstvo, vypočítané s pevne nastaveným prahovým prietokom kvôli tomu, aby regulačný mechanizmus prispôsoboval výkon horáku v závislosti od hodnoty čerpaného prietokového množstva, vypočítaného vzhľadom k prahovému prietokovému množstvu.

Aby sa zabránilo tomu, že na základe výpočtu prietokového množstva výsledok dospeje k nekoherentnej hodnote (záporné prietokové množstvo) alebo k hodnote nezlúčiteľnej s dobrou funkciou zariadenia (prietokové množstvo vyššie ako je kapacita zariadenia), je počítací prostriedok s výhodou spúšťaný pri zapaľovaní pomocou hodnoty prietokového množstva väčšej ako nula alebo rovnej nule a je saturovaný pri hodnote maximálneho prietokového množstva, napríklad okolo 20 litrov za minútu. Tak sa dosiahne to, že i keď výpočet prietokového množstva povedie z dôvodov spojených s reálnymi podmienkami použitia k nevyužiteľnému výsledku, bude regulačný prostriedok môcť rovnako fungovať

946/B pomocou svojich vlastných referenčných hodnôt (spúšťacie prietokové množstvo a maximálne prietokové množstvo).

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený v nasledujúcom popise na príkladoch vyhotovenia s odvolaním na pripojené výkresy, v ktorých znázorňuje:

obr. 1 graf závislosti teploty na výtoku od čerpaného prietokového množstva v zariadení podľa stavu techniky, v ktorom sa horák zapaľuje a tlmí sa na jeho minimálny výkon, obr. 2 schému zariadenia podľa vynálezu, obr. 3 vývojový diagram regulačného algoritmu podľa vynálezu, obr. 4 graf závislosti výkonu v stabilizovanom režime horáku od čerpaného prietokového množstva pre prietokové množstvo väčšie ako prahová hodnota alebo rovné prahovej hodnote, a obr. 5 a 6 grafické znázornenie výchylky výkonu horáku v závislosti od času pre čerpané prietokové množstvo menšie ako je prahová hodnota.

V celom popise je uvažovanou kvapalinou voda, s výhodou pitná voda, použiteľná hlavne ako teplá úžitková voda.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obr. 1 znázorňuje problém riešený vynálezom. Na obrázku je zrejmá krivka C, pričom na vodorovnej osi je vynesené čerpané prietokové množstvo Q kvapaliny (v typickom prípade teplej úžitkovej vody) v litroch za minútu a na zvislej osi teplota kvapaliny na výtoku z ohrievacieho priestoru, v typickom prípade teplota vody na výtoku zvýtokového ventilu, pričom pre zjednodušenie je zanedbaná výchylka teploty, vyplývajúca z prúdenia vody v potrubí medzi priestorom, v ktorom je ohrievaná, a výtokovým ventilom, z ktorého vyteká na použitie.

946/B

Ako je zrejmé, pre malé čerpané prietokové množstvá Q (5 až 7 l/min.) stúpa so znižujúcim sa prietokovým množstvom teplota Ts na výtoku kvapaliny. Táto hodnota môže dosiahnuť hodnotu 120 °C pre prietok v podstate rovný 1 l/min., čo je na normálne použitie teplej úžitkovej vody, ako je umývanie rúk alebo holenie, mimoriadne vysoká hodnota, pretože je známe, že človek priemerne znesie na určitých častiach tela, ako sú ruky, teplotu vody od 35 °C do 50 °C. Z grafu je zrejmé, že na to, aby teplota klesla pod túto hodnotu, je potrebné dosiahnuť prietok Q okolo 3 l/min. Takýto prietok je málo zlúčiteľný s použitím, ktoré je krátke a/alebo vyžaduje málo vody (namočenie špongie, opláchnutie pohárika alebo holiaceho strojčeka). Ak musí užívateľ otvoriť kohútik trochu viac, aby zvýšil prietok za účelom zníženia teploty, bude nútený spotrebovať oveľa viac vody, ako koľko je skutočne potrebné, čo je nákladné, zbytočné a málo prijemné na použitie. Z ďalšieho popisu je zrejmé, že význam vynálezu spočíva v možnosti dosiahnutia teploty Ts na výtoku, ktorá je blízka nastavenej teplote Ts (teplote, akú si užívateľ želá dosiahnuť), a to predovšetkým pre malé prietoky.

Obr. 2 znázorňuje schému zariadenia 1 na ohrev kvapaliny. Zariadenie 1, ktorým môže byť napríklad ohrievač vody alebo kotol, obsahuje ohrievací priestor 3, v ktorom ohrievaná kvapalina cirkuluje alebo stojí podľa hodnoty čerpaného prietokového množstva (kladného alebo nulového). Tento ohrievací priestor 3 je ohrievaný horákom 5, napájaným s výhodou plynovou zmesou alebo tiež vykurovacím olejom alebo inou zmesou paliva a látky podporujúcej horenie. Z horáku vychádza najmenej jeden plameň 7, ktorý sa dostáva buď priamo do styku s ohrievacím priestorom 3 alebo končí tesne pod ním. Na prívode plynovej zmesi do horáku je osadený ovládací mechanizmus 9 ventilového typu, umožňujúci meniť požadovaný výkon Pdem v závislosti hlavne od čerpaného prietoku Q, a to na základe poznatku, že tento výkon Pdem zodpovedá výkonu potrebnému na ohrev Q litrov vody za minútu z teploty Tef studenej vody smerom k požadovanej nastavenej teplote Tcons. V praxi je možné určiť hodnotu výkonu Pdem nasledovne:

Pdem = Q/60 * Cp * (Tcons - Tef) kde:

946/B

Q je prietok kvapaliny v litroch za minútu,

C je tepelná kapacita kvapaliny, ktorá je 4180 J/kg/K pre vodu a

Tcons je nastavená teplota (alebo požadovaná teplota) v K (Kelvinoch) a Tef je vstupná teplota kvapaliny do ohrievacieho priestoru v K (Kelvinoch).

Ovládací mechanizmus 9 sa ovláda pomocou regulačného prostriedku 10, spojeného s dvoma teplotnými čidlami 11_, 12 známeho typu (ortuťovými, s termočlánkom, lamelovými alebo s termistorom), merajúcimi vstupnú teplotu Tef kvapaliny (studenej vody) do ohrievacieho priestoru 3 (ktorá môže byť uvažovaná v určitých prípadoch ako referenčná teplota, ak sa uvažuje voda dodávaná vodovodnou sieťou ako v podstate konštantná teplota, pričom v takomto prípade by nebola potrebná sonda 11) a výtok?»/ú teplotu Ts rovnakej kvapaliny po priechode ohrievacím priestorom 3. V prípade použitia teplotných čidiel na zistenie prietoku Q (v litroch za minútu) je možné toto vykonať hlavne na základe nasledujúceho vzťahu pomocou počítača vradeného do regulačného prostriedku:

Q = k * Qgaz/(Ts - Tef) ,

pričom k = n * Pci/Cp,
kde
n	je účinnosť zariadenia,
Pci	je výhrevnosť plynu v W.h/m³,
Qgaz	je prietok plynu privádzaného do horáku v m³/h,
Cp	je tepelná kapacita vody 4180 J/kg/K pre vodu a
Ts a Tef	sú teploty kvapaliny na výtoku a na prívode do ohrievacieho priestoru v Kelvinoch.

Rozumie sa, že prietok privádzaného plynu Qgaz môže byť nahradený akýmkoľvek iným vnútorným údajom pre horák a závislým od tohto prietoku, ako je napríklad výkon plynu privádzaného do horáku (s Pgaz = Pci * Qgaz, kde Pi je výhrevnosť plynu), otvorenie ovládacieho ventilu na prívode plynu, tlak plynu pred alebo za ventilom alebo strata tlaku v tomto ventile.

946/B

Aby sa dosiahla väčšia jemnosť merania tohto prietoku, pri použití údajov, aké sú k dispozícii (nameraných alebo vypočítaných), bude však výhodnejšie použiť nasledujúci vzorec dynamického výpočtu:

Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))]([Cp * (Ts - Tef)l, kde n je účinnosť horáku,

Pci je výhrevnosť plynu v W.h/m³,

Qgaz je objemový prietok privádzaného plynu v m³/h,

Méqu je súčiniteľ predstavujúci tepelnú zotrvačnosť ohrievacieho priestoru, Cp je tepelná kapacita kvapaliny v J/kg/K (4180 pre vodu) a dTs/dt je zmena teploty (derivácia) kvapaliny na výstupe z ohrievacieho priestoru.

Táto matematická rovnica prvého rádu, určená pomocou počítacieho prostriedku vradeného do regulačného prostriedku, má výhodu vtom, že berie do úvahy zmenu teploty na výstupe v závislosti od času okrem zmeny výstupnej teploty vzhľadom k vstupnej teplote, čo dovoľuje spresniť meranie a získať optimalizovaný model správania zariadenia, okrem odstránenia potreby použitia nákladných a krehkých mechanických súčiastok typu prietokomeru, nahradených jednoduchými teplotnými čidlami a kalkulátorom.

Aby sa zabránilo tomu, že výsledok tohto výpočtu bude nekoherentný (záporný prietok alebo vyšší prietok ako sú teoretické prietokové kapacity zariadenia), bude kalkulátor regulačného prostriedku, ktorý môže byť bez toho, aby šlo o vyčerpávajúce príklady, elektronický obvod typu mikroprocesoru, DSP alebo mikroradič, spustený pri zapálení s kladnou alebo nulovou hodnotou a bude saturovaný pri hodnote maximálneho prietoku, zlúčiteľnej s kapacitami zariadenia, napríklad okolo 20 l/min.

Len čo je raz určené čerpacie prietokové množstvo, môže zariadenie podľa obr. 2 pracovať v dvoch rôznych priemeroch tohto prietoku, nazývaných „prerušovaný režim,, a „plynulý režim,,, ako je znázornené na vývojovom diagrame na obr. 3 a na obr. 4 až 6. Prechod medzi dvoma režimami môže byť realizovaný pomocou dvojstabilného relé s hysteréziou známeho typu, vradeného do

946/B regulačného prostriedku W. Pre vysvetlenie obr. 4 až 7 je vhodné stanoviť určité vzťahy medzi jednotlivými použitými premennými.

Každé prietokové množstvo Qk predovšetkým zodpovedá požadovanému výkonu horáku Pdem, určenému napríklad pomocou vyššie uvedeného vzorca:

Pdem = Q/C * (Tcons - Tef)

Určitému prietokovému množstvu, nazývanému „prahové prietokové množstvo,, a označenému Qs, zodpovedá výkon nazývaný „minimálny výkon,, a označený Pmin.

Ak je prietokové množstvo Q väčšie alebo rovné prahovému prietokovému množstvu Qs (určenému meraním a pevnému pre konštrukciu), t.j. ak je požadovaný výkon Pdem, odvodený od čerpaného prietokového množstva Q teplej úžitkovej vody, väčší alebo rovný minimálnemu výkonu Pmin horáku 5, horák pracuje normálne, t.j. v „plynulom režime,,, režime v čase a progresívne (obr. 4) pre poskytovanie vody s teplotou Ts v podstate rovnou nastavenej teplote Tcons. Pomocou známeho obvodu proporcionálne integračné derivačného typu, vradeného do regulačného prostriedku 10 pracuje regulačný prostriedok plynulé so spätnou väzbou a umožňuje meniť výkon P horáku plynulé a progresívne v čase (s výhodou bez zdržania) medzi Pmin a Pmax v závislosti od čerpaného prietokového množstva

Q. Obr. 4 znázorňuje tento funkčný režim. Na obr. 4 je znázornená krivka D, ukazujúca zmenu výkonu P v závislosti od čerpaného prietokového množstva Q. Obrázok ukazuje, že keď je čerpané prietokové množstvo Q v podstate rovné prahovému prietokovému množstvu Qs, je výkon P v podstate rovný minimálnemu výkonu Pmin horáku. Len čo je prahové prietokové množstvo Qs prekročené, mení sa výkon P plynulé a progresívne v čase podľa krivky D.

Iný funkčný režim, zaujímavejší z hľadiska funkcie vynálezu, je režim nazývaný „prerušovaný,,. Tento režim sa spúšťa regulačným prostriedkom 10, keď je prietokové množstvo Q nižšie ako prahové prietokové množstvo Qs, t.j. keď je požadovaný výkon Pdem nižší ako je minimálny výkon Pmin horáku. V tomto prípade obsahuje regulačný prostriedok 10 prerušovač známeho typu, ktorý ovláda ovládací mechanizmus 9 tak, že striedavo otvára a zatvára prívod plynovej zmesi do

946/B horáku 5 a teda ho necháva prechádzať striedavo z nulového výkonu na výkon P väčší alebo rovný minimálnemu výkonu Pmin horáku 5 a s výhodou rovný Pmin.

Tento funkčný režim tak dovoľuje dosiahnuť po celú dobu, kedy je čerpané prietokové množstvo Q nižšie ako je prahové prietokové množstvo, stredný výkon Pmoy (výkon vypočítaný súčtom dvojitých integrálov vyšrafovaných plôch krivky na obr. 5 a 6) nižší ako je minimálny výkon Pmin horáku a v podstate rovný požadovanému výkonu Pdem. To potom vyvoláva menší ohrev pre akýkoľvek čerpaný prietok nižší ako je prahové prietokové množstvo Qs.

Obr. 5 znázorňuje zmenu výkonu P horáku v závislosti od času pre čerpané prietokové množstvo Q (premenlivé alebo nepremenlivé v čase) stále nižšie ako je prahové prietokové množstvo Qs. Ako je zrejmé, mení sa výkon stupňovým alebo prerušovaným spôsobom medzi nulovým výkonom a výkonom väčším alebo rovným minimálnemu výkonu horáku (čiarkovaná čiara). Hodnota tohto výkonu P väčšia ako je minimálny výkon Pmin alebo rovná minimálnemu výkonu Pmin môže byť premenlivá alebo nepremenlivá po celú dobu, čo sa prietokové množstvo Q nemení (pričom zostáva pod prahovým prietokovým množstvom).

S výhodou je tento výkon P väčší ako minimálny výkon Pmin alebo rovný minimálnemu výkonu Pmin, zhodný po celú dobu trvania, po ktorú je konštantný a zvyšuje sa alebo znižuje v podstate so zmenou čerpaného prietokového množstva Q. Je však možné iné riešenie. Napríklad je možné fixovať výkon P tak, že je vyšší alebo rovný minimálnemu prietoku, na určitej hodnote bez ohľadu na prietokové množstvo Q (stále nižšie ako Qs) a meniť doby, po ktoré bude horák fungovať na tomto výkone, v závislosti od výchylky čerpaného prietokového množstva, ako je znázornené na obr. 6. Bez ohľadu na stanovený funkčný režim počas celej doby, po ktorú je čerpané prietokové množstvo Q nižšie ako prahové prietokové množstvo Qs, je výsledný stredný výkon Pmoy, vypočítaný pomocou súčtu dvojitých integrálov šráfovaných oblastí z obr. 5, stále nižší ako je minimálny výkon Pmin a je v podstate rovný výkonu Pdem, požadovanému u horáku pre uvažované čerpané prietokové množstvo Q.

Tým, že sa optimálnym spôsobom prispôsobuje horák čerpanému prietokovému množstvu Q, je možné dosiahnuť stále počas doby, kedy je kvapalina

946/B čerpaná s prietokovým množstvom Q nižším ako je prahové prietokové množstvo Qs, stredný výkon Pmoy o niečo nižší ako je minimálny výkon. Stačí na dlhšiu dobu uzatvoriť napájanie horáku 5 a otvoriť ho na veľmi krátky okamih na výkon P väčší alebo rovný minimálnemu výkonu Pmin, aby sa získal uvedený stredný výkon. Bez toho, aby bolo potrebné udať hodnotu, bude zrejmé, že vynález dovoľuje získať výkon nižší ako je minimálny výkon, i keď horák teoreticky nemôže takýto výkon poskytnúť z dôvodov nevyhnutných podmienok spojených s kvalitou a stabilitou plameňa alebo znečisťovania ovzdušia a prípadne zanášania horákov.

Obr. 6 znázorňuje variant voči obr. 5, ukazujúci zmenu výkonu P v závislosti od času, a to stále pre čerpané prietokové množstvo Q (premenlivé alebo konštantné) nižšie ako prahové prietokové množstvo Qs. Je známe, že nie je potrebné, aby sa teplota čerpanej kvapaliny menila príliš výrazne okolo nastavenej teploty, lebo toto vytvára určitý nedostatok komfortu, ku ktorému už dochádza u zariadení podľa známeho stavu techniky (značné kolísanie teploty vody vyplývajúce zo zlej regulácie). Ak sa nechá totiž kolísať výkon horáku medzi nulovým výkonom a výkonom, ktorý je vyšší alebo rovný príliš veľkému minimálnemu výkonu, riskuje sa príliš silný ohrev kvapaliny v určitých obdobiach. Je teda potrebné znížiť výchylku výkonu P medzi nulovým výkonom a výkonom, ktorý je väčší alebo rovný minimálnemu výkonu, aby sa znížili výchylky teploty kvapaliny na výtoku.

Zvolí sa tak menenie výkonu horáku iba medzi nulovým výkonom a jeho minimálnym výkonom Pmin a menenie čerpaného prietokového množstva Q (pričom jeho hodnota stále zostáva pod Qs). Ak sa zvyšuje prietokové množstvo Q, stačí zvýšiť doby, po ktoré je horák zapálený na jeho minimálny výkon (alebo skrátiť doby, po ktoré je horák zhasnutý) a naopak ich skrátiť, keď sa čerpané množstvo Q znižuje. Pomocou rovnakého integračného výpočtu, ako v predchádzajúcom prípade, sa tak získa výsledný stredný výkon Pmoc, nižší ako je minimálny výkon Pmin a v podstate rovný požadovanému výkonu Pdem. Výhodou takéhoto riešenia je, že sa vylúči potreba ohrevu kvapaliny na zbytočne vysokú teplotu, čo vyvoláva straty energie a škodí funkcii horáku (dlhodobej spoľahlivosti, zvýšenému hluku v dôsledku vyššieho prívodu plynovej zmesi).

946/B

V obidvoch prípadoch regulačný prostriedok 10 riadi v závislosti od kolísania výtokovej teploty vzhľadom k nastavenej teplote frekvencie prechodu z nulového výkonu na výkon, ktorý je väčší alebo rovný minimálnemu výkonu, ako i doby, po ktoré zostáva horák na každom z týchto výkonov, a to pomocou vradeného prerušovača. Toto riadenie dovoľuje, ako je popísané vyššie, sa prispôsobiť výchylkám prietokového množstva Q v čase.

Nižšie uvedená tabuľka dobre ilustruje zaujímavé výsledky, ktoré sa dajú získať spôsobom podľa vynálezu pre malé čerpané prietokové množstvá Q.

Nastav, tepl.	Prietok Q	Stredná teplota	Amplitúda kolísania	Perióda kolísania
(Tcons)	l/min	°C	°C	s
55 °C	1	56,5	7	36
	2	55,0	6	33
	3	52,5	7	60
40 °C	1	43	6,5	45
	3	40	5	32
	5	38	5	55

Ako je zrejmé, je nastavená teplota Tcons takmer dosiahnutá, až na niekoľko stupňov (max. 3 °C) po celú dobu kolísania (v podstate zodpovedajúcej dobe čerpania), a to i pre malé čerpacie prietokové množstvá (prietoky) Q. Kolísania teploty zostávajú malé (5 až 7 °C) a sú silne tlmené vedením v potrubí, vzhľadom k ich vysokej častosti, čo badateľne znižuje komfort použitia, a vylučuje potrebu nákladných zariadení, ako zmiešavacie batérie, pričom cena súčiastok (prerušovač, ) čidlá, bistabilné relé alebo obvod PID) je relatívne malá, pretože sú rozšírené a bežné.

946/B

Vynález sa samozrejme neobmedzuje na vyššie popísané vyhotovenia. V prerušovanom režime sa tak bude môcť rozdiel výkonu medzi nulovým výkonom a výkonom vyšším ako je minimálny výkon alebo rovným minimálnemu výkonu realizovať prechodom cez viac zdržiavacích stupňov (teda bez „skokov,,, ale skôr súvislou premenou) pre výkony vyššie ako je minimálny výkon od okamihu, kedy stredný výkon zostáva nižší ako je minimálny výkon.

Zariadenie tak môže byť riešené odlišne a môže hlavne obsahovať primárny okruh, v ktorom cirkuluje prvá kvapalina, ohrievaná horákom a druhý okruh, v ktorom cirkuluje druhá ohrievaná kvapalina, obsahuje výmenník tepla, dovoľujúci ohrievať pomocou prvej kvapaliny druhú kvapalinu. V tomto prípade je čerpaná kvapalina (druhá kvapalina) ohrievaná horákom nepriamo, ale spôsob zostáva rovnaký, t. j. výkon horáku sa mení v závislosti od prietokového množstva druhej kvapaliny a hlavne regulačný mechanizmus umožní horáku fungovať prerušovane alebo plynulo v závislosti od hodnoty prietokového množstva vzhľadom k prahovému prietokovému množstvu, ktorému zodpovedá minimálny výkon horáku.

Horák môže pracovať s iným typom zmesi paliva a plynu podporujúceho horenie, ako je zmes vykurovacieho oleja a vzduchu.

Teplotné čidlá môžu konečne byť nahradené čidlom prietokového množstva (stále známeho typu), hlavne skrutkovnicového alebo turbínového typu, umiestneného na vstupe ohrievacieho priestoru na meranie prietokového množstva Q a pripojeného k regulačnému prostriedku 10, i keď je tento typ čidla nákladnejší.

Claims

1. Spôsob regulácie výtokovej teploty Ts kvapaliny z ohrievacieho priestoru, ktorá do ohrievacieho priestoru vstúpila pri vstupnej teplote Tef nižšej ako je výtoková teplota Ts alebo rovnej výtokovej teplote, aby sa táto výtoková teplota Ts prispôsobila prostredníctvom horáku (5), prispôsobeného na to, aby v pokojnom stave mal nulový výkon P alebo aby mal v zapálenom stave výkon medzi nenulovým minimálnym výkonom Pmin a maximálnym výkonom Pmax vyšší ako je uvedený minimálny výkon Pmin, pričom kvapalina vystupuje z ohrievacieho priestoru (3) s nenulovým čerpaným prietokovým množstvom Q, v závislosti od ktorého sa vyvoláva menenie výkonu P horáku, pričom horák pracuje buď v plynulom režime alebo v prerušovanom režime v závislosti od čerpaného prietokového množstva Q, vyznačujúci sa tým, že čerpané prietokové množstvo Q je určené výpočtom v závislosti od referenčnej teploty, ako je vstupná teplota Tef, najmenej jednej nameranej teploty, ako je výtoková teplota Ts, a prevádzkového údaju horáku, ako je prietokové množstvo plynu Qgaz privádzané do horáku.

2. Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že čerpané prietokové množstvo je definované dynamicky pomocou nasledujúceho vzťahu:

Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))]/[Cp * (Ts - Tef)], kde n je účinnosť horáku,

Pci je výhrevnosť plynu vo W.h/m^{2 3},

Qgaz je objemový prietok privádzaného plynu v m³/h,

Méqu je súčiniteľ predstavujúci tepelnú zotrvačnosť ohrievacieho priestoru,

Cp je tepelná kapacita kvapaliny v /kg/K (4180 pre vodu), dTs/dt je zmena teploty (derivácia) kvapaliny na výstupe z ohrievacieho priestoru v čase a

Tef je vstupná teplota kvapaliny do ohrievacieho priestoru.

30 946/B

3. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že horák (5) prechádza z jedného funkčného režimu do druhého funkčného režimu na základe porovnania medzi čerpaným prietokovým množstvom Q a prahovým prietokovým množstvom Qs, ktorému zodpovedá v podstate minimálny výkon Pmin horáku.

4. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že po celú dobu, po ktorú je čerpacie prietokové množstvo Q, ktorému zodpovedá určitý výkon Pdem, požadovaný od horáku (5), nižšie ako je prahové prietokové množstvo Qs, ktorému v podstate zodpovedá minimálny výkon Pmin, sa necháva horák (5) pracovať v prerušovanom režime, s výkonom P, ktorý sa mení striedavo medzi uvedeným nulovým výkonom a výkonom väčším ako je minimálny výkon Pmin horáku alebo rovným minimálnemu výkonu Pmin horáku, takže sa po túto dobu získa výsledný stredný výkon Pmoy nižší ako je minimálny výkon Pmin horáku (5) a v podstate rovný požadovanému výkonu Pdem.

5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že sa po túto dobu obmedzuje výchylka výkonu P horáku (5) medzi jeho nulovým výkonom a minimálnym výkonom Pmin.

6. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že keď je čerpané prietokové množstvo Q, ktorému zodpovedá určitý výkon Pdem požadovaný na horáku (5), väčšie alebo rovné prahovému prietokovému množstvu Qs, ktorému v podstate zodpovedá minimálny výkon Pmin horáku, nechá sa horák pracovať v plynulom režime, s výkonom P, ktorý je väčší ako je minimálny výkon Pmin alebo rovný minimálnemu výkonu Pmin a ktorý sa mení plynulo a progresívne v čase v závislosti od čerpaného prietokového množstva Q.

7. Zariadenie (1) na reguláciu výtokovej teploty Ts kvapaliny mimo ohrievací priestor (3), ktorá bola do neho privádzaná pri vstupnej teplote Tef nižšej ako výtoková teplota alebo rovnej výtokovej teplote Ts, na to, aby táto výtoková teplota bola prispôsobená prostredníctvom horáku (5), uspôsobeného na to, aby v kľudovom

30 946/B stave nulového výkonu P alebo v zapálenom stave, v ktorom je jeho výkon P medzi nenulovým minimálnym výkonom Pmin a maximálnym výkonom Pmax vyšší ako je uvedený minimálny výkon, pričom táto kvapalina vystupuje z ohrievacieho priestoru (3) s nenulovým čerpaným prietokovým množstvom Q, v závislosti od ktorého sa mení výkon horáku, pričom zariadenie pre tento účel obsahuje ovládací mechanizmus (9) horáku (5), riadený regulačným prostriedkom (10) na prispôsobovanie výkonu P horáku (5) v závislosti od čerpaného prietokového množstva Q, a to v prerušovanom režime s takmer okamžitou výchylkou výkonu P v čase, alebo v plynulom režime s progresívnou a plynulou výchylkou výkonu P v čase, vyznačujúce sa tým, že obsahuje prostriedky na výpočet prietokového množstva Q na základe referenčnej teploty, ako vstupnej teploty Tef, najmenej jednej nameranej teploty, ako je výtoková teplota Ts, a prevádzkového údaja horáku, ako je prietokové množstvo plynu do neho privádzaného.

8. Zariadenie podľa nároku 7, vyznačujúce sa tým, že uvedené prostriedky obsahujú ďalej počítací prostriedok umožňujúci porovnávať čerpané prietokové množstvo Q, vypočítané s pevne nastaveným prahovým prietokovým množstvom Qs na to, aby regulačný mechanizmus (10) prispôsoboval výkon P horáku (5) v závislosti od hodnoty čerpaného prietokového množstva Q, vypočítaného vzhľadom k prahovému prietokovému množstvu Qs.

9. Zariadenie (1) podľa nároku 8, vyznačujúce sa tým, že počítací prostriedok je spúšťaný pri zapaľovaní pomocou hodnoty prietokového množstva Q väčšej ako nula alebo rovnej nule, a je saturovaný pri hodnote maximálneho prietokového množstva Q, napríklad okolo 20 litrov za minútu.