CN103732998A - 热水系统 - Google Patents

Abstract

一种热水系统包括用于向换热器提供热能的来源的燃烧器总成。水入口管道耦合至换热器总成以便供应有待加热的新鲜水，并且水出口管道耦合至所述换热器总成以便向使用点输送加热的水。旁通管道将水出口管道连接至水入口管道，并且布置在所述旁通管道中的泵使所述加热的水的至少一部分从所述水出口管道循环至所述水入口管道。定位在所述水入口管道中的位于所述换热器总成与所述旁通管道之间的前馈传感器监测正在进入所述换热器总成的水的参数，并且处理器响应于所述前馈传感器而控制所述燃烧器总成的操作。

Description

热水系统

相关申请的交叉引用

对2012年1月24日提交的名称为“WATER HEATINGSYSTEM”的美国专利申请序列号13/357,309和2011年1月28日提交的名称为“TANKLESS WATER HEATER”的美国临时申请序列号61/437,527进行参考，并且本申请要求来自这些申请的优先权及其权益，所述申请的全部内容以引用方式并入本文。

发明领域

本公开一般涉及一种热水系统，并且更明确地说，涉及利用前馈控制的一种热水系统和方法。

发明背景

在家用和商业应用二者中，热水器大多数具有水箱类型。这些热水器是圆柱形容器，其中水被持续地保热并且准备好以供使用。水箱中的水不久之后将会冷却下来，这使得加热系统启动以将水加热回温。此外，一旦来自水箱的热水的供应耗尽，就会在热水再次可供使用之前存在一定的延迟。

即热式热水器(tankless water heater)在水流动穿过装置时对水进行加热，并且除了在换热器盘管中的水之外，通常在内部不会保留任何水。常规即热式热水器的挑战是以不同的流量输出相同温度的水。另外，随着时间的推移，换热器会经受腐蚀并且效率降低。

发明概述

在本发明的一个方面中，热水系统包括用于提供热能的来源的燃烧器总成。燃烧器总成包括燃烧室、向燃烧室供应空气流的进气口，以及向燃烧室供应燃料的燃料入口。换热器总成可操作地耦合至燃烧器总成并且包括第一流体管道，所述第一流体管道与第二流体管道处于换热关系。热水系统进一步包括水入口管道和水出口管道，所述水入口管道耦合至换热器总成以用于供应有待加热的新鲜水，而所述水出口管道耦合至换热器总成以用于将加热的水输送至使用点。旁通管道将水出口管道连接至水入口管道，并且布置在旁通管道中的泵使加热的水的至少一部分从水出口管道循环至水入口管道。定位在水入口管道中的位于换热器总成与旁通管道之间的前馈传感器监测正在进入换热器总成的混合水的参数，并且处理器响应于前馈传感器而控制燃烧器总成的操作。

在本发明的另一方面中，提供一种用于操作热水系统的方法。所述方法包括以下步骤：提供换热器总成；水入口管道，其用于向换热器总成供应水；水出口管道，其连接至换热器总成以便向需求方供应加热的水；热源，其用于加热换热器总成中的水；以及旁通管道，其将水出口管道连接至水入口管道。所述方法进一步包括以下步骤：将换热器中的水加热至设定点温度，并且使来自旁通管道的加热的水的至少一部分与水入口管道中的水混合。所述方法进一步包括以下步骤：监测水入口管道中的水在进入到换热器总成中之前的第一参数，并且响应于水的第一参数而控制热源以便在水出口管道处达到设定点温度。

附图简述

参照下文所描述的附图可以更好地理解本文所描述的特征。附图不必按比例绘制，而一般是将重点放在对本发明的原理的说明上。在附图中，贯穿各种视图，相同数字用于指示相似零件。

图1描绘根据本发明的一个实施方案的热水系统的示意图；

图2描绘根据本发明的另一个实施方案的热水系统的透视图；

图3描绘根据图2中所示的实施方案的空气燃料输送系统的透视图；

图4描绘根据图2中所示的实施方案的气体组列(gas train)的透视图；

图5描绘图2中所示的热水系统的横截面侧视图；

图6描绘根据图5中所示的燃烧器总成的横截面侧视图；

图7描绘图6中所示的燃烧器总成的分解透视图；

图8A和图8C描绘图5中所示的热水系统的示例性外壳的前侧透视图和右侧透视图；并且

图8B和图8D描绘图5中所示的热水系统的示例性外壳的后侧透视图和左侧透视图。

发明详述

图1描绘根据本发明的一个实施方案的热水系统10的示意图。新鲜水由水入口管道12而供应至热水系统10。管道12中的水进入换热器总成14，在换热器总成处，水被加热至所需温度或设定点温度并且被排放至水出口管道16。加热的水然后可供用于满足家庭或设施的需求。

热水系统10包括燃烧器总成18，所述燃烧器总成被适配来燃烧燃烧室中的燃料与氧化剂以产生燃烧的加热产物。在典型的系统中，氧化剂是空气。燃烧的产物(热气体)离开燃烧器总成18并且被提供至换热器总成14，在此之后，燃烧的产物与循环穿过换热器总成的水进入换热关系。在换热器总成14内，水与燃烧的产物隔离。也就是说，第一流体管道20与第二流体管道21处于换热关系，但它们未被混杂。在所示的实施方案中，第一流体通道20是换热器内的一个或多个换热管，并且第二流体管道21是换热器的围绕换热管的内部区域。燃烧的产物在换热管20中流动，并且水流动穿过第二流体管道21(也就是说，在管20的周围流动)并且经由水出口管道16被引导出换热器总成14。热的燃烧气体经由燃烧排气歧管22离开换热器总成14。在另一个实施方案(未示出)中，水流动穿过换热器总成中的管，并且热的燃烧气体在管的周围循环。

热水系统10进一步包括将水出口管道16连接至水入口管道12的旁通管道24。泵26被适配来使加热的水的至少一部分从水出口管道16循环至更冷的水入口管道12。在一个实施方案中，泵26是使恒定流量持续循环的恒流模型。

热水系统10进一步包括传感器以监测系统的操作条件或系统健康参数。在系统的液体侧上，定位在旁通管道24上游的水入口传感器28可以监测进入的新鲜水的温度。安装在水入口管道12中、位于旁通管道24与换热器总成14之间的前馈传感器30可以监测例如正在进入换热器的水在与从旁通管道流入的加热的水混合之后的温度。水出口传感器32可以监测正在离开换热器总成14的加热的水的温度或流量。在系统的燃烧侧上，空气入口传感器34可以监测多种条件，如流动至燃烧器总成18的空气的温度，并且排气传感器36可以监测排气烟道中的条件(如温度)，这可适用于确定燃烧效率。

热水系统10进一步包括可以是微处理器或微控制器的处理器38(或CPU)，并且包括用于控制器热水系统的整体操作的任何适合的结构。在一个实施方案中，燃烧器总成18的操作可以响应于前馈传感器30来控制。在一个实施例中，燃烧器总成18的操作是响应于正在进入换热器总成14的混合水(例如，新鲜水加上再循环水)的温度而由处理器38来控制。

热水系统根据需求原则进行操作。也就是说，在操作过程中，根据设施需求来断定被输送穿过水出口管道的加热的水的流量。当设施对热水没有需求时，就没有热水流出管道16。在现有的热水系统中，当没有需求时，在系统中不存在流量。因此，系统中的停滞水的温度逐渐降低。在即热式系统中，由于系统中水的低容量，温度下降发生得相当快。当恢复对热水的需求时，在换热器的出口处的温度常常显著地小于所需温度或设定点温度。响应于水出口温度来控制燃烧器总成的系统将会通过100％地点燃燃烧器达一段延长的时间而做出响应。通常，迅速地添加至换热器的高热量引起水出口温度迅速上升并且越过设定点，并且燃烧器将会节流关闭(throttle back)。当水出口温度下降到低于设定点时，燃烧器将会再一次快速启动(rampup)。燃烧器的这种开/关操作导致重复地越过设定点并且冲下(undershot)设定点，尤其是来自冷起动的情况。所述问题可利用比例/积分/微分(PID)控制器来稍微减轻，但是使燃烧器的热量输出上升和下降仍导致换热器部件的热循环。换热器部件上的来自热循环的应力和应变常常导致部件的过早损坏，这种情况下的维修是昂贵的。

相反，本文所描述的热水系统通过使正在离开换热器总成14的热水中的一些或所有循环回到换热器入口中而维持了恒定的设定点温度。以这种方式，系统中的水不会停滞，并且可以在没有偏离设定点的破坏性波动的情况下维持温度。在一个实施例中，当对热水没有设施需求，并且因此没有来自水出口管道16的流量时，因为来自泵26的流量循环回到换热器总成14的入口中，所以剩余有循环穿过换热器总成的流量。因为不存在需求，所以系统中水的容量不会改变并且没有新鲜水从水入口管道12被添加至系统10。因此，在前馈传感器30处的水的温度将会非常接近在换热器的出口处的设定点温度。处理器38可以监测前馈传感器30并且响应于所述前馈传感器来控制燃烧器总成18的操作。在系统中水的温度逐渐下降时，处理器38可以命令燃烧器总成18以一种方式操作，所述方式恢复水出口设定点温度，如在前馈传感器30处所测量的。

当设施对热水的需求恢复时，流出水出口管道16的流量由来自水入口管道12的新鲜水补充。然而，因为泵26正在使加热的水的一部分循环回到换热器部件14的入口中，所以混合水可大致上比新鲜水暖热，并且可需要较少的来自燃烧器总成18的热量以达到在换热器的出口处的所需温度或设定点温度。较少的热量输入导致换热器部件的较少的热循环。

前馈传感器30可以感测例如正在进入换热器总成14的混合水的温度。处理器38可以监测来自前馈传感器30的输出并且响应地命令燃烧器总成18的操作。在一个实施方案中，存储在处理器38的存储器中的算法定义了用于正在进入燃烧器总成18的燃料和空气的阀门调度。阀门调度基于由前馈传感器30所感测的温度。

参照图2示出了根据本发明的一个实施方案的热水系统10的透视图，其中相同数字指示来自图1的相似元件。可以根据图1中所描绘的示意图安排并且构造热水系统10的部件。热水系统10包括换热器总成14，所述换热器总成具有定位在底座处的水入口管道12和定位在顶部处的水出口管道16。水入口管道12包括水入口传感器28，所述水入口传感器在所示的实施例中是RTD型(电阻温度检测器)热电偶。排水阀40可以耦合至水入口管道12或以其他方式定位在换热器总成14的底部，以便允许换热器内的水的排放。水出口管道16可以包括水出口传感器32以便感测例如正在离开换热器总成14的加热的水的温度。在所示的实施例中，水出口传感器32是RTD型热电偶。水出口管道16可以进一步包括压力释放阀42以便在管线中存在过压的情况下排出水压。

热水系统10包括将水出口管道16连接至水入口管道12的旁通管道24。泵26被适配来使加热的水的至少一部分从水出口管道16向下循环至更冷的水入口管道12。在一个实施方案中，泵26是使恒定流量持续循环穿过旁通管道24的恒流模型。示例性泵26是由克兰斯顿罗德岛州(Cranston RI)的Taco有限公司(Taco Inc.)所供应的湿转子循环泵，其被构造来维持5至25加仑/分钟(GPM)的恒定水流量。在任选的实施方案中，流量是约15GPM。在另一个实施方案中，不管新鲜水入口处的新鲜水的流量，穿过换热器总成14的流量保持恒定。在又一个实施方案中，热水与新鲜水之间的比率可近似地是60％至40％。

如参照图1所描述的，前馈传感器30安装在水入口管道12中，位于旁通管道24与换热器总成14之间，并且可以监测例如正在进入换热器的水在与从旁通管道流入的加热的水混合之后的温度。在一个实施方案中，前馈传感器30定位在离使旁通管道24和水入口管道12接合的T形段下游(例如朝向换热器总成14)距离“D”处，以便保证新鲜水与再循环热水的适当混合。在一个实施例中，距离“D”是至少4英寸(10.2cm)。

热水系统10可以进一步包括安装滑动垫板44，所述安装滑动垫板包括底座和垂直的底座支脚。在一个实施例中，滑动垫板44的底座部分包括纵梁46以允许叉式起重机或叉式装卸车举起并且运输加热系统。安装板48(图2)可以焊接至换热器总成14。支撑整个热水系统10的安装板48用螺栓固定至滑动垫板44的垂直支脚。以这种方式，热水系统10可以在制造厂处被紧固至滑动垫板44，并且易于运输、安装并且从设施上移除。在一个实施方案中，滑动垫板44拥有紧凑形状因子以允许热水系统10安装在一般实用柜中。在一个实施例中，滑动垫板44的形状因子是宽度上近似为28英寸并且深度上近似为51英寸(71.1×129.1cm)。

在一个实施方案中，热水系统10包括空气燃料输送系统50，所述空气燃料输送系统在空气和燃料进入至燃烧器总成18的燃烧室之前对其进行预混合。图3描绘示例性空气燃料输送系统50的透视图。系统50首先包括空气过滤器52以将空浮微粒从进气流中移除。空气入口传感器34可以提供如温度测量结果的数据以辅助热水系统10的操作。进气流在空气燃料阀总成54中与燃料混合。气体组列56(图4)在燃料入口凸缘58处连接至空气燃料阀总成54以向阀门提供气体燃料。鼓风机60推进空气/燃料混合物沿鼓风机侧吸入歧管62下行到燃烧器总成18。在一个实施例中，鼓风机60可以是8.9”(225mm)可变速无刷鼓风机，如可从俄亥俄州肯特(Kent，Ohio)的AmetekTechnical and Industrial Products获得的

牌鼓风机。在一个实施方案中，空气燃料阀总成54提供20∶1的调节比以用于燃烧器总成18的操作。也就是说，燃料/空气混合比率和鼓风机60的速度可加以调整，以便从燃烧器总成18提供介于燃烧器最大输出的5％与100％之间的热源。

在其它实施方案中，燃料和空气可以分开地引导至燃烧室中。例如，空气管道和燃料管道可以分开地耦合至燃烧器总成以分别输送空气和燃料。

图4描绘在图2中被部分地挡住的燃料气体组列56的透视图。燃料可以包括多种适合的气体，例如压缩天然气(CNG)。CNG的化学成分可以改变并且本文考虑到许多适合的成分。在一个实施方案中，CNG包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氮(N₂)以及二氧化碳(CO₂)。气体组列56使燃料沿供应管道64下行至由SSOV致动器68所打开并且关闭的安全截止阀(SSOV)66。致动器68可以由连接至下游压力源(如T形件70和气体软管72)的调节器驱动。穿过气体管72的流量可以由压力开关74支配，所述压力开关被适配来保持关闭，除非达到最小阈值气压(例如4.0英寸水柱)。在另一个实施例中，气体组列56还可以具有低气压开关(未图示)，如果燃料压力降到低于预定义的极限(如2.6英寸水柱)，那么所述低气压开关允许SSOV致动器68关闭。气体组列56还可以包括手动截止阀76，如1”球阀。气体组列56在燃料入口凸缘58处终止，所述燃料入口凸缘连接至空气燃料阀总成54(图3)。

图5描绘图2中所示的热水系统的横截面侧视图，图6描绘燃烧器总成18的横截面侧视图，并且图7描绘燃烧器总成18的分解透视图。参照图5至图7，换热器总成14包括圆柱形壳体78，一个或多个换热管20紧固在所述圆柱形壳体中。在一个实施例中，壳体78可以由不锈钢制造。有待加热的水从水入口管道12流入壳体78中并且离开壳体流至水出口管道16。因为不存在用于加热的水的储水箱，所以系统10是一种即热式设计。系统10中仅有的水的容积是在壳体78的内部中流动的水的容积。

在本发明的一个实施方案中，换热管20包括以螺旋方式盘绕的外管80和同样以螺旋方式盘绕的布置在外管80内的内管82。在一个示例构造中，管板84被提供来将换热管80、82紧固在换热系统10的底部。管板84包括具有中心开口的圆形、凸面不锈钢板。薄板84具有被机械加工成锐角以容纳螺旋缠绕管20的通孔。换热管20同样被弯曲成互补的锐角并且被铜焊至薄板84中。管板84可以沿其内径来铜焊或以其它方式密封至燃烧器总成18(所述燃烧器总成配合所述管板的内径)并且沿其外径来铜焊或以其它方式密封至壳体78。

在换热器总成14的顶部处，换热管80、82被铜焊并且以其它方式紧固至挡板总成86，所述挡板总成定位在热水器的壳体78与燃烧室的顶部之间以使水流汇集在螺旋管20周围。挡板总成86通过防止或至少减轻水垢堆积并且局部地降低表面温度来提供双重益处。在一个实施方案中，高速挡板总成86是具有同心孔或中心孔口的圆形不锈钢板。挡板总成86可以包括延径向绕挡板总成均匀分布的用以容纳螺旋管20的机械加工孔。中心孔口提供将第二流体管道21内的向上流动的水引导或导向至局部区域的益处。孔口提供收缩以局部地提高水速。在一个实施例中，孔口被设定尺寸来提供大于8英尺/秒的水速。通过提高局部水速，防止或至少显著地延迟水垢在换热管20的表面上的堆积，从而延长换热器的操作寿命。另外，提高局部水速保持部件表面温度较冷。这在换热器的顶部附近是特别重要的，因为在燃烧室的出口处温度最高。由弹性体材料制成的挡板垫片88还可以安装在挡板总成86与壳体78之间。挡板垫片88避免水在挡板总成86与壳体78之间流动。

螺旋管20(例如，80、82)可以由不锈钢制造并且可以在管外部表面上包括凹槽或类似物。凹槽提高流过管20的水的速度并增大湍流，从而加强从热气体到水的热传递。螺旋构造还降低由管热膨胀和收缩所引起的应力。尽管所述管在各自末端处加以约束(例如，铜焊在管板84和挡板总成86处)，螺旋几何结构允许显著的膨胀和收缩而不会使铜焊接点受过度应力。

换热器总成14的壳体78内的部件，如换热管20、管板84以及挡板总成86，可以包括腐蚀保护以减小来自新鲜水的腐蚀效应。在一个实施方案中，部件是无电镀镍的。在一个实施例中，镀镍可以在0.0003英寸至0.001英寸的范围中。焊接和铜焊不锈钢部件与提供无电镀镍精加工的组合延长换热器的寿命。

换热器总成14进一步包括燃烧器总成18以提供热源，以便提高正在流入换热管20中的水的温度。在所示的实施方案中，燃烧器总成18与壳体78的底部拼合并且密封至所述底部。燃烧器总成18包括向上延伸穿过螺旋换热管20的开放中心部分的圆柱形燃烧室90。在燃烧室的终末端处、在壳体78的顶部附近，燃烧的产物(例如，热气体)被导向至定位在挡板总成86中的换热管20的开口端中。热气体然后向下流入在燃烧室的外部周围的管20中并且最后在总成的底座处离开燃烧排气歧管22。同时，水在朝上方向上在管20周围从水入口管道12朝向在总成的顶部处的水出口管道16流动。

图7中描绘的是燃烧器总成18的分解透视图。燃料/空气混合物进入鼓风机侧吸入歧管62并且在径向燃烧室90中被点火。燃烧器总成18可以包括螺线管启动式点火器92和火焰检测器94(如火焰杆)，所述火焰检测器的输出被发送至系统微处理器38或CPU。在火焰杆指示燃烧已经过早终止的情况下，CPU可以命令安全停机。燃烧器总成18还可以包括冷凝液护罩96以提供防潮层，以便保护点火器92和其它部件免受在温度剧增、冷却或类似过程中可能从换热管20滴下的液态水。燃烧器总成18安装至吸入歧管62。在一个实施方案中，拼合板98用螺栓固定至吸入歧管62上的凸缘，并且高温密封件100(如

垫片)保护吸入歧管免受由燃烧室90所产生的热量。

图8A至图8D描绘图5中所示的热水系统10的外部透视图。参照图5和图8A至图8D，热水系统10可以包括密封燃烧外壳102，所述燃烧外壳提供超过常规外壳或机壳的操作优点。在一个方面，外壳102提供调节到达燃烧器总成18的进入空气的装置。在另一方面，外壳102提供保证热水系统的安静操作的装置。

外壳102可以由薄板金属面板制造并且以提供密封内部环境的这样一种方式来组装。图8A至图8C描绘密封外壳102的一个实施方案。外壳102包括前门总成104和前面板106。尽管未在图8A中示出，但是前门总成104打开以提供对例如配电板、开关、I/O接线箱总成、电源箱总成、可编程C-More RS232控制接口以及空气过滤器52的接近。密封外壳102进一步包括顶部面板108、底座封盖面板110、右侧面板112a以及左侧面板112b。外壳102的后端面可以包括多个封盖和面板以封闭水入口管道12、水出口管道16、进气端114、燃烧排气歧管22、气体组列连接件56，以及其它存水弯和排水管。在一个实施方案中，密封外壳102的后端面包括左后面板116、管盖118、右上方后面板120、检修面板122、右侧面板124、右后下方面板126，以及后下方面板128。所述面板互锁在一起或以其它方式紧固在一起以提供密封外壳。在一个实施方案中，面板包括整体的、快速释放的、直角回转锁闩130以便易于接近主要部件以供更换和/或维修。锁闩设计使整个外壳102在正常操作过程中保持紧密密封并且允许在不使用用于移除费时紧固件的工具的情况下进行维护。

在本发明的一个方面，外壳102提供调节到达燃烧器总成18的进入空气的装置。在一个实施例中，调节包括过滤空气。外壳102界定用于燃烧空气过滤系统的充气室132(图5)。燃烧空气过滤系统降低微米级颗粒进入燃烧器总成18并且堵塞重要的燃烧器材料的可能性，所述燃烧器材料将会由于燃烧作用较差而另外需要昂贵的维护。在一个实施例中，耦合至空气燃料输送系统50的空气过滤器52定位在外壳内，这样使得用于空气燃料阀总成54的空气流从充气室132抽入。在一个任选实施方案中，当根据ISO 5011进行测试时，所公开系统的过滤效率是处于从近似96％至近似99％的范围中。

在另一个实施例中，外壳102通过使操作的温度范围稳定化来调节进入的空气。在这个方面，热水系统10进一步包括预热的燃烧空气输送系统。由外壳102所界定的充气室132用于缓和外部环境的温度极限并且向处于稳定温度范围内的燃烧器总成18供应空气。例如，用于燃烧的外部空气温度通常在-20℉至120℉(-28.9℃至48.9℃)范围内变化，这表示系统必须适应的140℉(77.8℃)的差异或增量。预热的燃烧空气输送系统使操作空气温度范围缩小成近似50℉至90℉(10.0℃至32.2℃)，即40℉(22.2℃)的增量。由于归因于温度变化的空气密度的减小，这个较小的操作温度范围提高燃烧稳定性。例如，当外部温度高于90℉时，空气与室内空间空气混合以降低其温度。当外部空气低于50℉时，因为外壳是隔热的，所以引入外壳102中的空气吸收其中热量中的至少一些。

在本发明的另一方面，外壳102提供保证热水系统的安静操作的装置。外壳102可以内衬有声学隔音材料134以便减小在操作过程中来源于外壳的周围噪声。在一个实施例中，当装置以100％的输入(全容量)操作时，在外壳102外部所测量的声压级是近似55dBa。这个声级可与在3.3英尺(1m)距离处的收音机或电视机的低音量设置相当。在任选的实施方案中，隔离物134具有另一个优点：使待机损耗降低至1％以下。

如以上所公开，如水入口传感器28、前馈传感器30或水出口传感器32的系统传感器的数据输出可以连接至被适配来操作热水系统10或监测系统的健康状况的处理器38(图5)。在操作中，处理器38的至少一部分(或在一些实施方案中，独立的处理器)可以被构造成动态负载预感器。当旁通泵26正在运行时，动态负载预感器(DLA)可以响应于来自前馈传感器30的输入而控制水出口温度。在一个实施方案中，用一种算法对DLA编程以控制热水器的出口温度。在这个实施方案中，在基于前馈温度传感器30测量结果的变化的动态负载(流量)变化下，将温度控制到2℉内。处理器38命令对气体点燃的空气燃料燃烧系统18进行例如5％至100％输入的调制。

表I描绘可以被编程至处理器38中的一个示例算法。在这个实施例中，热水系统10提供1百万BTU/小时以在136℉的温度下供应50加仑/分钟的连续水需求率，其中旁通泵26以近似15GPM进行循环。前馈温度传感器30提供指示正在进入换热器总成14的混合水温度的数据，当与设定点温度或所需出口温度相比时，所述数据可以用于计算有多少热能需要被添加至换热管20。因为来自水出口管道16的加热的水的至少一部分循环回到水入口管道12中，并且循环的流量是已知值或固定值，所以可以根据循环的流量断定使温度升高至设定点所需要的热能的量。在任选的实施方案中，水出口传感器32可以向处理器38提供正在离开换热器总成14的水的温度以用于对算法的附加或补充计算。

表1

在一个实施方案中，处理器38还可以监测水入口传感器28与前馈传感器30之间的差异以确认旁通泵26正在恰当地操作。在一个实施例中，水入口传感器28和前馈传感器30测量温度。如果泵26发生故障，加热的水没有与新鲜水混合，那么水入口传感器28与前馈传感器30之间的温差将可忽略。在这种情况下，处理器38可以命令热水系统10切换至操作的故障安全模式，如反馈控制模式。在反馈控制模式中，燃烧器总成18的操作是响应于水出口传感器32。处理器38例如还可以向前门总成104上的读出器发出故障指示。这个动作不会终止或切断热水系统10的操作，而是给操作者提供存在机器故障的指示。

水入口传感器28还可以向DLA中的算法提供其它数据，以便辅助确定有多少热能需要被添加至入口水。

在另一个实施方案中，处理器38还可以监测燃烧排气传感器36以监测热水系统10的烟道气体温度作为对热/燃烧效率的测量结果。如果换热管20的表面变为结有水垢的，那么效率将会降低并且烟道气体温度将会升高。在一个实施例中，当烟道气体温度36达到第一阈值时，处理器38可以发出警告。如果温度36达到第二、更高阈值，那么处理器38可以命令空气燃料输送系统50改变空气/燃料比率以便维持效率。在达到第三、更高阈值的情况下，热水系统10将会发生故障、关机并且需要对换热器总成14进行清洁。渐变的阈值限制了换热器总成14遭受破坏性腐蚀的可能性，并且后续的操作者维修通知降低了所述可能性。

虽然已经参照许多具体实施方案描述本发明，但是应理解的是，应该仅就可以由本说明书所支持的权利要求书来确定本发明的真实精神和范围。此外，虽然在本文中的许多情况下，系统和装置以及方法被描述为具有一定数量的要素，但是应理解的是，可以用少于所提及的特定数量的要素来实践这类系统、装置以及方法。同样，虽然已经描绘许多具体实施方案，但是应理解的是，已经参照每个具体实施方案所描述的特征和方面可以用于每个其余具体所描述的实施方案。

本文所描述的方法的样例如下：

一种用于操作热水系统的方法，所述方法包括以下步骤：

提供换热器总成；水入口管道，其用于向所述换热器总成提供水；水出口管道，其连接至所述换热器总成以便向需求方提供加热的水；热源，其用于加热所述换热器总成中的水；以及旁通管道，其将所述水出口管道连接至所述水入口管道；

将所述换热器中的水加热至设定点温度；

使来自所述旁通管道的所述加热的水的至少一部分与所述水入口管道中的水混合；

监测所述水入口管道中的所述水在进入至所述换热器总成之前的第一参数；并且

响应于所述水的所述第一参数来控制所述热源以便在所述水出口管道处达到所述设定点温度。

如段落[0052]所述的方法，其中使来自所述水出口管道的所述加热的水的至少一部分流动至所述水入口管道的步骤包括以恒定流量将所述加热的水泵送至所述水入口管道。

如段落[0052]所述的方法，其中所监测的所述第一参数是温度并且所述热源是燃烧器总成，并且所述控制所述热源的步骤包括调整对用于所述燃烧器总成的空气燃料阀的调变。

如段落[0052]所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：在所述水出口管道处提供水出口传感器，监测所述水出口传感器，并且进一步响应于所述水出口传感器而控制所述热源。

如段落[0052]所述的方法，其中所述热源是燃烧器总成，并且所述方法进一步包括提供用于所述热水系统的密封外壳的步骤，所述外壳界定内部空气充气室，所述方法进一步包括以下步骤：在进入所述燃烧器总成中之前调节所述充气室中的空气。

如段落[0056]所述的方法，其中所述调节所述充气室中的空气的步骤包括过滤所述空气。

如段落[0057]所述的方法，其中当根据ISO 5011进行测试时，所述过滤步骤达到处于从近似96％至近似99％的范围中的过滤效率。

如段落[0056]所述的方法，其中所述调节所述充气室中的空气的步骤包括将所述空气预热至近似50℉至近似90℉的温度范围。

如段落[0052]所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：局部地提高所述换热器总成内的水的速度以减轻水垢堆积。

如段落[0060]所述的方法，其中所述速度提高至至少8英尺/秒。

Claims (27)

1.一种热水系统，其包括：

燃烧器总成，其用于提供热能的来源，所述燃烧器总成包括燃烧室、向所述燃烧室供应空气流的进气口，以及向所述燃烧室供应燃料的燃料入口；

换热器总成，其可操作地耦合至所述燃烧室总成，所述换热器总成包括第一流体管道，所述第一流体管道与第二流体管道处于换热关系；

水入口管道，其耦合至所述换热器总成以用于供应有待加热的新鲜水；

水出口管道，其耦合至所述换热器总成以用于将加热的水输送至使用点；

旁通管道，其将所述水出口管道连接至所述水入口管道；

泵，其布置在所述旁通管道中以使来自所述水出口管道的所述加热的水的至少一部分循环至所述水入口管道，从而向所述换热器总成提供新鲜水和再循环水的混合物；

前馈传感器，其定位在所述水入口管道中的位于所述换热器总成与所述旁通管道之间以用于监测正在进入所述换热器总成的所述混合水的参数；以及

处理器，其用于响应于所述前馈传感器而控制所述燃烧器总成的操作。

2.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述换热器总成是即热式设计。

3.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述燃烧器总成包括燃烧室，所述燃烧室被适配来燃烧燃料和氧化剂以形成气态燃烧产物，所述热水系统进一步包括燃烧排气歧管以将所述燃烧产物引导出所述热水系统。

4.根据权利要求3所述的热水系统，其中所述第一流体管道包括换热管，所述换热管的第一末端耦合至所述燃烧器总成的所述燃烧产物，并且在所述换热管的第二、相反末端处耦合至所述燃烧排气歧管。

5.根据权利要求4所述的热水系统，其中所述换热管是螺旋的。

6.根据权利要求5所述的热水系统，其中所述换热管包括与内部螺旋管处于围绕关系的外部螺旋管。

7.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述前馈传感器是温度传感器。

8.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述处理器监测所述前馈传感器并且响应于所述前馈传感器而命令所述燃烧器总成的操作。

9.根据权利要求8所述的热水系统，其中所述处理器根据存储在所述处理器中的算法而命令所述燃烧器总成的操作，所述算法具有作为输入的来自所述前馈传感器的读数并且具有作为输出的对所述燃烧器总成的调制。

10.根据权利要求9所述的热水系统，其进一步包括空气燃料输送系统，所述空气燃料输送系统被适配来在燃料和氧化剂进入所述燃烧器总成中之前对其进行预混合，所述燃烧器总成的所述调制包括所述空气燃料输送系统的空气燃料阀位置。

11.根据权利要求9所述的热水系统，其进一步包括水出口传感器，所述水出口传感器用于监测流入所述水出口管道中的所述加热的水的参数，所述水出口传感器定位在所述换热器总成与所述旁通管道之间。

12.根据权利要求11所述的热水系统，其中所述水出口传感器向存储在所述处理器中的所述算法提供另一个输入。

13.根据权利要求1所述的热水系统，其进一步包括水入口传感器，所述水入口传感器用于监测流入所述水出口管道中的所述新鲜水的参数，所述水入口传感器定位在所述旁通管道上游。

14.根据权利要求13所述的热水系统，其中出于确定所述旁通泵是否正在恰当运行的目的，所述处理器监测所述水入口传感器和所述前馈传感器。

15.根据权利要求14所述的热水系统，其中所述处理器计算所述水入口传感器与所述前馈传感器之间的温差，并且如果所述差异是可忽略的，那么所述处理器响应于不同的参数而控制所述燃烧器总成的所述操作。

16.根据权利要求15所述的热水系统，其中所述处理器响应于所述水出口管道中的水出口温度传感器而控制所述燃烧器总成的所述操作。

17.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述换热器总成进一步包括挡板总成以提高所述第二流体管道中的水的速度。

18.根据权利要求17所述的热水系统，其中所述挡板总成包括板，所述板界定孔口，所述水的速度通过所述孔口而提高。

19.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述泵是使恒定流量持续循环穿过所述旁通管道的恒流模型。

20.根据权利要求1所述的热水系统，其中提供至所述换热器总成的新鲜水与再循环水的所述混合物由近似40％新鲜水与近似60％再循环水的比率来界定。

21.根据权利要求1所述的热水系统，其进一步包括界定充气室的密封外壳，所述充气室耦合至所述燃烧器总成的所述进气口。

22.根据权利要求21所述的热水系统，其中所述充气室在所述外壳内提供燃烧空气过滤系统，所述燃烧空气过滤系统包括空气过滤器，所述空气过滤器耦合至所述燃烧器总成以将空浮微粒从进气流中移除。

23.根据权利要求22所述的热水系统，其中当根据ISO 5011进行测试时，所述空气过滤器提供处于从近似96％至近似99％的范围中的过滤效率。

24.根据权利要求21所述的热水系统，其中所述充气室提供预热燃烧空气输送系统以减轻所述外壳外部的温度极限，当所述外部温度处于从近似-20℉至近似120℉的范围中时，所述预热燃烧空气输送系统向所述燃烧器总成提供处于近似50℉至近似90℉的温度范围的进气。

25.根据权利要求21所述的热水系统，其进一步包括耦合至所述外壳的内部表面的声学隔音材料，以便减小在操作过程中来源于所述外壳的周围噪声。

26.根据权利要求25所述的热水系统，其中当所述热水系统以全容量操作时，在所述外壳外部所测量的声压级是近似55dBa。

27.根据权利要求21所述的热水系统，其中所述旁通管道定位在所述外壳内。

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