CN103842726B - 带有氧传感器的热水系统 - Google Patents

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Abstract

热水系统和方法，包括锅炉，燃烧室，和容纳在燃烧室内部的燃烧器。一条管道与燃烧室流体连通，用来把燃气引导至燃烧室中，在其中燃烧室引起燃气燃烧。氧传感器连接到燃烧室并固定在燃烧室内，用来探测燃烧产物的含氧量。氧传感器把能代表含氧量的数据输出至控制单元。控制单元控制热水系统的反馈控制，并且其中至少根据数据由控制单元控制燃烧室中燃气的燃烧。换热器系统连接耦合至燃烧室，在换热器中，利用燃烧产物来加热换热器中的水。至少一个烟道，连接到耦合至换热器系统，从而把燃烧产物引导到换热器系统外。

Description

带有氧传感器的热水系统
相关申请的交叉引用
对2011年8月18日提交的名称为“WATER HEATING SYSTEM WITH AN OXYGENSENSOR”美国临时专利申请序列号61/525,044进行参考，并且本申请要求该申请的优先权及其权益，所述申请的内容在此全部引用作为参考。
发明领域
本公开通常涉及一种热水系统和该热水系统的控制方法。
发明背景
在住宅建筑和商业建筑方面，有一个热水系统来加热水是必不可缺的。然而，热水系统却是复杂的，并且效率低效的。目前已知的热水系统会监控有关热水系统的特性从而提高热水系统性能。此类特性可以包括监控流出系统中的水温，监控燃气进入系统的速率，监控加热水过程中的能量消耗量，如此等等。这些热水系统能够利用这些信息来改变热水系统的变量以此来优化系统的输出。
有助于优化加热系统的一个特性是加热系统中燃烧产物的含氧量。一些加热系统能够用非色散红外(NDIR)传感器监测燃烧产物的含氧量。NDIR传感器是光谱设备，常用于气体分析。然而，NDIR传感器价格昂贵，花费将近$30，000。不幸的是，目前的加热系统还不能用一种有效而且经济的方式来监测燃烧产物的燃烧氧含量。
发明概述
工业上存在一种需求，一种更加高效的热水系统及其操作方法。
根据本发明主题的一个实施例，热水系统包括：锅炉，包括燃烧室，和容纳在燃烧室内部的燃烧器。至少一条管道与燃烧室流体连通，用来把燃气引导至燃烧室内。燃烧器引燃燃气生成燃烧产物。氧传感器与燃烧室连接并定位于燃烧室中，用来检测残留在燃烧产物中的氧含量。氧传感器输出能代表燃烧产物氧含量的数据。控制单元控制热水系统的反馈控制，其中控制单元接收来自氧传感器的数据，并且其中至少根据此数据，由控制控制单元控制燃烧室中燃气的燃烧。换热器系统耦合至燃烧室，从而采用燃烧产物来加热换热器中的水。至少一条烟道耦合至换热器系统，把燃烧产物引导到换热器系统外。
根据本发明主题的另外一个方面，提供了一种控制热水系统的方法，包括通过至少一条流控连接流体连通至锅炉热水器燃烧室的管道引导燃气，并用容纳在燃烧室内部的燃烧器引燃燃气生成燃烧产物。燃气燃烧的含需氧量由氧传感器来决定，氧传感器连接耦合至燃烧室并定位于与锅炉相邻的燃烧室中。把能代表燃烧产物含氧量的数据输出至锅炉的控制单元，至少根据燃烧产物的含氧量来控制热水系统的反馈控制。把燃烧产物从燃烧室引入换热器系统，换热器系统与燃烧室相连。换热器中的燃烧产物加热换热器中的水。通过烟道把燃烧产物引导到换热器系统外。
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，贯穿各个视图，相同数字用于指示相似零件。
图1为根据本发明主题的一个实施例的热水系统的透视图；
图2为根据本发明主题的一个实施例的热水系统上半部分的透视示意图；
图3为根据本发明主题的一个实施例的热水系统燃烧室内部透视图；
图4位根据本发明主题的一个实施例的热水系统顶部透视图；
图5为根据本发明主题的一个实施例的筒形短焰低氮氧化物(NOX)网孔燃烧器的透视图；
图6提供根据本发明主题的一个实施例的通过一个可视窗观察到的燃烧室内部透视图；
图7提供根据本发明主题的一个实施例，图5所示网孔燃烧器的内部透视图；
图8提供根据本发明主题的一个实施例的热水系统顶部透视图；
图9提供根据本发明主题的一个实施例的热水系统顶部透视图；
图10提供根据本发明主题的一个实施例的燃烧室内部观察到至少一条通道的示意图；
图11提供根据本发明主题的一个实施例套筒内氧传感器的透视图；
图12提供根据本发明主题的一个实施例的热水系统透视图；及
图13提供根据本发明主题的一个实施例的热水系统透视图。
发明详述
图1描述了热水系统100的一个实施例。热水系统包括控制单元101，用来反馈控制热水系统100。控制单元101可以包括一台计算机或者类似部件。控制单元可以控制热水系统内所有部件的协调和运作。其中一个实施例中，控制单元利用比例一积分一微分(PID)控制来优化热水系统，包括氧的控制。所公开的主题进一步包括其它合适的控制系统。
参考涉及到图2，热水系统100包括锅炉热水器200，例如但不限于冷凝式锅炉，其可以通过控制单元101对其进行来控制它。锅炉200可以有多种构型，包括垂直圆柱形，水平圆柱形，和矩形。图2描述了一个垂直圆柱形锅炉的例子。此锅炉可以有不同的功率，比如，从大约50,000-到6,200,000BTU/hr的锅炉。另外，例如但不限于，热水器可以有负荷调节比20∶1和15∶1。负荷调节比20∶1表明热水器可以在最大输出(例如，1/20)的5％和100％之间运作，负荷调节比15∶1表明锅炉可以在最大输出的6.7％和100％之间操作。锅炉200可以包括多种合适的材料，包括但不限于，铸铁，铸铝和不锈钢。一个典型的垂直圆柱形锅炉200实例是由纽约州Blauvelt市的lnternational，lnc.制造的锅炉。其它锅炉的例子可以在美国专利第5，881，681号；第6,435，862号；第4，852,524号；第4,519,422号；第4,346,759号，和第4,305，547号中找到，所有的内容都包含在此。
如图3所示，锅炉200有多个组件，包括燃烧室400。燃烧室400包括一个密闭箱体401，密闭箱体401包括第一板402(图2)，相对与第一板相隔有一定距离的第二板404，和至少一个侧壁406，侧壁406将耦合第一板402和第二板404连接。如图3中所描述的，第二板404可以包括一个管板。如图4中所描述的，顶板412可以被另外添加定位固定在第一板402上，在燃烧室400的外的第一板402上。更进一步地说，顶板412和第一板402可以界定多个凹槽，从而把不同的设备连接至锅炉，与燃烧室流体连通。这些设备可被插入凹槽内并密封起来。
燃烧室400可以有不同的构型，包括但不限于，圆柱形和矩形。当实施例中燃烧室为圆柱形时，腔室有个弯曲的侧壁406连接到第一板402和第二板404。当实施例中燃烧室为矩形时，燃烧室有四个侧壁连接到第一板和第二板。
燃烧室400可以包括多种合适的材料，包括但不限于，碳钢，不锈钢，或非金属耐火材料。顶板412可以包括，例如，碳钢或不锈钢。
锅炉200可以进一步包括水套420和包覆燃烧室400的外壳430。如图3所示，水套420可以定位于外壳430和燃烧室400之间，它可以冷却锅炉，可以加热补给水，或者两者都可以。
燃烧室400接收燃气并设计为耐燃气燃烧。燃气包括多种合适的气体。例如，燃气可以包括空气和压缩天然气(CNG)的混合物。CNG的化学成份可以改变，并且这里可以考虑许多合适的成份。其中一个实施例，CNG包括甲烷，乙烷，丙烷，丁烷，戊烷，氮气(N2)，和二氧化碳(CO2)。
引导至燃烧室400的燃气可以和空气预先混合。在其它一些实施例中，如图12和13所示，燃气和空气分别被引导至燃烧室中。例如，空气管道和燃气管道单独连接到燃烧室，从而分别输送空气和燃气。在另外一个实施例中，空气管道和燃气管道可以被引导至一个混合室中，然后共同被引导至燃烧室中。
控制单元101(图1)可以监测空气-燃气比来维持燃烧过程需氧量水平。有多种设备和方法可以用来控制空气-燃气的混合比，在这里都是可以考虑的。一个例子中，可以进一步安装空气阀，空气/燃气阀，和/或燃气阀，从而把空气和燃气引导至燃烧室400。控制单元101可以控制相应的阀来控制空气-燃气比。一个实施例中，控制单元101根据氧传感器获得的数据来控制相应的阀，如下面进一步的论证。
表1
标准空气-燃气比 16.43
氢碳比(H∶C) 3.896
氧碳比(O∶C) 0.0216
氮碳比(N∶C) 0.0238
可以根据期望使用量来改变空气-燃气比。表1举例说明了一个实施例。
如图4中所描述的，锅炉200进一步包括至少一条管道500，与燃烧室400流体连通，用来把燃气引导至燃烧室内。管道500可以通过燃烧室400的第一板402和/或顶板412界定的凹槽连接至燃烧室。
锅炉进一步包括一个风机设备600，把燃气吹进至少一条管道500内。风机设备600可以改变燃气进入燃烧室400的速率。风机设备600包括变速风机或恒速风机。而且，风机设备600可以改变进入燃烧室燃气的组份百分比。控制单元101可以控制和监测风机设备600(图1)。风机设备600可以传送输出至控制单元，并可以接收控制单元的输出。另一个实施例中(未说明)，风机设备驱动器可以独立控制风机设备。风机设备可以在燃烧室的相对顶部产生高压，进一步把气体通过燃烧室推出管道外。
在燃烧室400内部的里边进一步设置燃烧器700，促使进入燃烧室的燃气燃烧。燃烧器700可以包括多种不同的合适的构型。其中一个实施例中，如图5所示，燃烧器700包括筒形短焰低氮氧化物(NOX)网孔状燃烧器。燃烧器700可以连接到耦合至燃烧室400里第一板402的内部。图6提供给出了通过可视窗W看到的燃烧室400的内部的透视图。另外，图6描述了耦合至第一板402的筒形短焰低氮氧化物(NOX)网孔燃烧器700。所公开主题的另外一个实施例中，燃烧器由不同的构型组成，包括但不限于，板式燃烧器。
在具有筒形网孔燃烧器的实施例中，燃烧器700为管状构型，并且在操作过程中火焰位于燃烧器的外部。图6中通过可视窗描述了本燃烧器的外部。如图7中所描述的，沿着燃烧器的侧壁，燃烧器700界定出多个孔径701。在本实施例中，至少有一条管道500(图4)把燃气引导进燃烧器的内部。燃气可以通过多个孔701或通过燃烧器底部排出燃烧器。燃气一经多个孔或燃烧器底部排出，燃气就会和燃烧器的火焰相互作用并且燃烧生成燃烧产物。使用低氮氧化物(NOX)网孔燃烧器，在燃烧器外部很短距离内就可以使气体完全燃烧。
对于1，500,000BTU/hr的锅炉，燃烧器温度可以维持在大约2000°F-2600°F(1093℃-1427℃)范围内。控制单元可以控制燃烧器的温度和火焰的大小。
燃烧器可以包括多种合适的材料，包括但不限于，不锈钢，陶瓷，和金属间化合物材料。
如图6中所描述的，还可以安装与燃烧器类似的火焰棒711。火焰棒711可以作为安全设备，当探测或未探测到火焰时，它可以把反射数据传送至控制单元。
热水系统进一步包括连接到燃烧室的氧传感器800(图2)。除此之外，氧传感器可以探测燃烧产物的含氧量。氧传感器可以发送和接收数据。就其本身而言，氧传感器可以把气体燃烧的含氧量输出给其它的设备。控制单元101可以直接接收来自氧传感器的数据，包括含氧量。在另外一些的实施例中，氧传感器与连接至氧传感器的传感器控制器801通信(没有示出)。其中一个例子中，传感器控制器801可以是被集成进氧传感器主体中的专用集成电路(ASIC)。传感器控制器801可以直接和控制单元101通信。其中一个适当的氧传感器例子，包括但不限于，LSU4.9宽带传感器。专用氧传感器可以在大约0.80秒内探测燃烧室中的含氧量。换句话说，氧传感器800的反应时间是大约0.80秒。其中传感器控制器的一个例子，包括但不限于，Lamdatronic1.5ECU模块。
因为氧传感器800的反应时间非常快，控制单元可以利用来自于氧传感器的数据来控制热水系统，还可以并额外优化热水系统。采用预定值对控制单元进行编程从而获得理想的燃气含氧量和理想的燃气燃烧的需氧量和燃烧特性。控制单元可以将来自于氧传感器的数据与所给的预定值相对比来决定燃烧产物的含氧量对热水系统来说是否合适。与预定理想值相比，如果来自于氧传感器的数据超出了可以接受的范围，控制系统会改变热水系统的控制，在燃烧产物中产生一个更合适的氧气水平。另外，控制单元可以利用来自于热水系统其它监测系统的数据来进一步优化热水系统，例如但不限于，采用燃烧产物加热的水的温度。
一个实施例中，控制单元101可以根据氧传感器获得的数据来控制风机设备600推压燃气进入燃烧室的速率，以此来改变燃气燃烧中的氧气水平。另外一个实施例中，控制单元可以根据氧传感器获得的数据来控制燃气组份或空气-燃气比，以此来改变燃烧产物的含氧量。根据氧传感器数据，通过控制风机设备来改变燃气进入燃烧室的速率，控制单元可以进一步微调空气-燃气比。另外一个实施例中，控制单元可以控制燃烧器的火焰来改变燃烧产物的含氧量。控制单元还可以操纵热水系统中多个其他变量来控制燃烧产物的氧值。
如图2，图12和图13所示，氧传感器可以位于燃烧室中多个合适的位置上，包括但不限于，在第一板402上，顶板412上，和侧壁406上。其中一个实施例中，通过同轴凹槽403，413，氧传感器分别固定定位通过在燃烧室顶板和第一板的各自对应的同轴凹槽403，413。内。如图8所示，在此实施例中，氧传感器800可以安装在顶板412上，并且氧传感器的一端固定在定位于第一板的凹槽403里。由于燃烧室里燃气的再流通，氧传感器800的一端暴露在于凹槽413里燃烧的燃气中。氧传感器的此端与第一板402的外表面平齐。因此，氧传感器的此端稍微凹嵌在第一板里，氧传感器的此端可以受到第一板中凹槽的保护。
如图13所示，在另外一个实施例中，氧传感器的一端延伸至超过第一板的外表面。如图9中所描述的，在本实施例中，氧传感器在燃气燃烧的通道上造成一个障碍，并与流动的燃烧燃气直接接触。另外，如图9所示，在此实施例中，氧传感器直接固定在第一板的凹槽里，并直接安装在第一板上。
图10示意图描述了从燃烧室内部观察到至少一条管道500。图8和9中所示的传感器800的两端在图10中有所描述。在另一实施例中，氧传感器通过凹槽固定在燃烧室侧壁上，如图2中描述的位置X和Y。
如图2和图11中所描述的，氧传感器进一步固定在可插入燃烧室的套筒802中。此套筒进一步保护燃烧室内的氧传感器。
在以上任一个实施例中，氧传感器可以定位为接近燃烧器。燃烧器的火焰处可以发生燃气的燃烧，并且在接近燃烧器的一个位置上，氧传感器可以得到一个精确的读数。
氧传感器可以包括多种构型以便得到燃烧室中含氧量的一个准确的读数。氧传感器可以包括氧化锆，锆氧化物，电化学的(Galvanic)，红外的，超声的，化学电池，和/或激光中心传感器。在采用LSU4.9宽域型带传感器的实施例中，氧传感器设计成测量燃烧室气体燃烧的含氧量和λ值。传感器是带有集成加热器的一个平面板Zr02双电池极限电流传感器。它相对空气在X＝0.65的范围内的单调输出信号可使得以把传感器能够被当作当做X＝1测量值和其它λ范围的通用传感器来使用。传感器连接耦合至一个连接器模块，连接器模块它包含有一个微调电阻。在内部温度达到大约950°F-1400°F(510℃-760℃)时，传感器操作更精确。一般地，内部温度在大约800°F(423℃)以下，传感器不能探测测氧读数。传感器可以测量暴露在不同氧气水平中的锆氧化物电阻的变化。传感器有一个大约长达10年的工作寿命。
热水系统100进一步包括连接至燃烧室的换热器系统900。燃烧后的燃气被排出燃烧室并在换热器系统中被用来加热水。一旦水被加热到一个预定温度，水就会通过排出管930流出热水系统。如图12和图13中所描述的，换热器系统可以包括不同合适的构型。例如，换热器系统可以包括现有技术中已知的火管或可替换使用的水管。
热水系统100进一步包括至少一条连接至换热器系统900的烟道950，用来把燃烧产物引导到从换热器系统中引出去外。烟道可以固定在不同的位置，如图12和图13所示。
还提供了一种对上面描述的一种控制热水系统进行控制的方法。如图12中实施例所描述的，一种控制热水系统的方法，包括通过至少一条与流控连接至锅炉燃烧室流体连通的管道引导燃气；用包覆容纳在燃烧室内部的燃烧器引燃燃气生成燃烧产物。燃气燃烧的需氧量由氧传感器来决定，氧传感器连接耦合至燃烧室并定位于燃烧室中与燃烧器相邻的燃烧室中。把能代表燃烧产物含氧含量的数据输出至锅炉的控制单元。至少根据燃烧产物的氧含氧量来控制热水系统的反馈控制。把燃烧产物直接从燃烧室引入连接在燃烧室上的至换热器系统，换热系统耦合至燃烧室。用换热器系统中的燃烧产物加热换热器系统中的水。通过烟道把燃烧产物直接引导到换热器系统外。
表2
根据所公开主题，对热水系统进行测试，通过与固定在烟道里的NDIR传感器获得的读数相对比，确定测试了燃烧室中氧传感器的精确度。在此测试中，固定在定位于燃烧室中第一板的氧传感器的读数与NDIR传感器的读数大体上相似。表2提供了一个测试运行表格，它描述了：根据所公开的主题，NDIR读数(“O2”)与燃烧室氧传感器的读数(“C-more”)的对比。
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，已经参照每个特定实施方案所描述的特征和方面可以用于其余每个特定描绘的实施方案。

Claims (12)

1.一种热水系统包括：
直立锅炉，包括由一个封闭式箱体组成的燃烧室，所述封闭式箱体包括第一板，及安装至第一板的网孔燃烧器，所述燃烧器容纳在燃烧室内部；
至少一条与燃烧室流体连通的管道，用于将燃气引导至燃烧室，其中燃烧器引燃燃气生成燃烧产物；
氧传感器，连接至燃烧室的顶板并固定在燃烧室中，用于探测各燃烧产物中的含氧量；其中氧传感器输出能代表燃烧产物中含氧量的数据；
用于热水系统反馈控制的控制单元，其中控制单元接收来自氧传感器的数据，并且其中燃烧室中燃气的燃烧是通过控制单元基于该数据而可控制的；
换热器系统，连接至燃烧室，用燃烧产物加热换热器系统中的水，所述加热换热器系统位于燃烧室下方，包括多个基本上直立的管，燃烧产物流经所述管；
至少一个烟道，连接至换热器系统，将燃烧产物引导到换热器系统外；
其中，顶板安装至及定位在第一板；及
其中，所述顶板和所述第一板界定出凹槽，在所述燃烧室内通过第一板界定出凹槽的表面，并且所述氧传感器定位于凹槽内，所述氧传感器的传感元件完全在凹槽中。
2.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述氧传感器固定在相邻于燃烧器的燃烧室中。
3.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述燃烧器连接至第一板，并包括一个筒形短焰低氮氧化物(NOX)网孔燃烧器。
4.根据权利要求3所述的热水系统，其中所述第一板界定出的凹槽使至少一条管道与燃烧室流体连通，其中通过凹槽，燃气从至少一条管道流动到筒形短焰低氮氧化物(NOX)网孔燃烧器的内部。
5.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述燃烧器进一步由水套和外壳组成，所述外壳包覆在燃烧室上，所述水套定位于所述外壳和所述燃烧室之间。
6.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述燃烧器进一步包括风机设备，用来将燃气吹进燃烧室中。
7.根据权利要求6所述的热水系统，所述控制单元根据氧传感器的数据控制所述风机设备来改变或维持燃气进入燃烧室的速率。
8.根据权利要求1所述的热水系统，所述燃气包含混合组份，基于来自氧传感器的数据，所述控制单元改变气体组份的比率。
9.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述控制单元将来自氧传感器的数据与热水系统反馈控制的预定值进行比较。
10.根据权利要求1所述的热水系统，其中所述换热器系统包括一个火管。
11.一种热水系统的控制方法，步骤包括：
提供了直立锅炉，包括由一个封闭式箱体组成的燃烧室，所述封闭式箱体包括第一板，及安装至第一板的网孔燃烧器，所述燃烧器容纳在燃烧室内部；至少一条与燃烧室流体连通的管道，用于将燃气引导至燃烧室，其中燃烧器引燃燃气生成燃烧产物；氧传感器，连接至燃烧室的顶板并固定在燃烧室中，用于探测各燃烧产物中的含氧量；其中氧传感器输出能代表燃烧产物中含氧量的数据；用于热水系统反馈控制的控制单元，其中控制单元接收来自氧传感器的数据，并且其中燃烧室中燃气的燃烧是可以通过控制单元基于该数据控制的；换热器系统，连接至燃烧室，用燃烧产物加热换热器系统中的水，所述加热换热器系统位于燃烧室下方，包括多个基本上直立的管，燃烧产物流经所述管；其中，顶板安装至及定位在第一板；其中，所述顶板和所述第一板界定出凹槽，在所述燃烧室内通过第一板界定出凹槽的表面，并且所述氧传感器定位于凹槽内，所述氧传感器的传感元件完全在凹槽中；
通过至少一条与锅炉燃烧室流体连通的管道引导燃气；用包覆在燃烧室内部的燃烧器引燃燃气从而生成燃烧产物；
采用连接至燃烧室的氧传感器检测燃烧产物的含氧量；
输出能代表燃烧产物氧含量的数据至热水系统的控制单元；至少响应来自氧传感器的数据来控制热水系统的反馈控制；
把燃烧产物从燃烧室引入换热器系统，所述换热器系统连接至燃烧室；
采用换热器系统中的燃烧产物加热水；并把燃烧产物通过烟道引导到换热器系统外。
12.如权利要求11所述方法，其中采用连接至燃烧室的氧传感器检测燃烧产物的含氧量的步骤以及输出能代表燃烧产物氧含量的数据至热水系统的控制单元的步骤发生在小于1秒的时间段内。
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