CN110940088B - 无水箱热水器设备、系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无水箱热水器以及使用该无水箱热水器的系统和方法。本公开的无水箱热水器的实施方式可以被构造为具有多个独立可操作的热交换器，这些热交换器可以独立或共同地、以任意组合使用，以基于对热水的需求水平来加热水。实施方式可以被构造为随机选择使用哪些热交换器来加热进入的水。本公开的实施方式还可以被构造为使水流过未用于加热水的热交换器并向再循环回路引导这种水。

Description

无水箱热水器设备、系统以及方法
技术领域
本技术的实施方式总体涉及无水箱热水器系统和使用该无水箱热水器系统的方法。
背景技术
本公开总体涉及无水箱热水器领域。住宅设置中的无水箱热水器是按需提供热水的紧凑单元，而不像传统的水箱式热水器那样存水。当打开热水龙头时，冷水从水源进入所述单元。传感器检测水流并启动加热装置。燃气式无水箱热水器使用作为热源的气体燃烧器和热交换器组件，该热交换器组件将热能从燃料源高效地转移到流过热水器的少量水。当不再需要(例如，来自设备或家电的水流停止)时，燃烧器关掉。无水箱热水器显著减少了备用损失，这使得它们是传统热水器的能量高效的替换物。
无水箱热水器具有来自结垢(来自在所述单元内部的铜热交换器中积累的、水源中的钙和其他矿物的水垢和石灰)的腐蚀的风险。虽然结垢也发生在水箱式热水器中，但结垢积累在水箱的底部处，并且对水流和水箱性能具有比无水箱热水器更少的影响。无水箱热水器中的水垢可能限制或阻止水穿过热交换器的流动并减少所述单元的寿命。
提供前述背景信息来揭示申请人相信的与本公开可能相关的信息。不是必须预期也不应解释承认任何前述信息构成针对本公开的现有技术。
发明内容
本公开涉及一种无水箱热水器以及使用无水箱热水器的系统和方法。在本公开的范围内的实施方式与现有设计相比可以促进改善热交换器的寿命和/或降低维护成本。在本公开的范围内的实施方式与现有设计相比可以促进水更高效地加热。
在一个方面中，本公开涉及一种用于无水箱热水器的热交换器，该热交换器包括：入口歧管，该入口歧管包括入口端口；出口歧管，该出口歧管包括出口端口；多个管道，多个管道中的每一个包括第一阀并且限定入口歧管与出口歧管之间的流路，其中，多个管道中的每个管道与入口歧管的入口管道端口以及出口歧管的出口管道端口关联；以及控制器，该控制器被构造为致动如由对加热的水的需求水平确定的每个第一阀，使得随着对加热的水的需求水平提高而致动多个第一阀中的增加数量的阀，以允许流体流动。
在本发明的第二方面中，本公开涉及一种用于无水箱热水器的热交换器，该热交换器包括：入口歧管，该入口歧管包括入口端口和入口再循环端口；出口歧管，该出口歧管包括出口端口；再循环歧管，该再循环歧管与入口再循环端口流体连通；多个管道，多个管道中的每个管道限定入口歧管与出口歧管之间的流路，其中，多个管道中的每个管道与入口歧管的入口管道端口以及出口歧管的出口管道端口关联，并且其中，再循环歧管包括用于多个管道中的所有管道的再循环管道端口，并且被构造为使得每个再循环管道端口可以仅与多个管道中的一个流体连通并关联；以及多个第一阀，每一个阀各与再循环歧管和多个管道中的一个流体连通，并且其中，每个阀被构造为向出口歧管或再循环歧管引导流体。
在另一个方面中，本公开涉及一种用于管理如这里描述的无水箱水系统内的多个热交换器的控制系统。
在又一个方面中，本公开涉及一种使用如这里描述的无水箱热水器的方法。这种方法可以包括以下步骤：允许冷水从冷水源流到输入歧管中；致动阀，使得水流过输入歧管、流过一个或多个管道并流到出口歧管中；以及致动阀，使得水流过输入歧管、流过一个或多个管道、流过再循环歧管并流到输入歧管中，以与冷水混合，其中，流到出口歧管中的水是加热的水，并且流过再循环歧管的水处于比加热的水的温度低的温度。
这些和其他方面将在这里阐述的示例实施方式中进一步描述。
附图说明
本公开的前述和其他特征和方面在结合附图阅读时参照特定示例实施方式的以下描述来最佳地理解，附图中：
图1是无水箱热水器的控制系统的实施方式的示意图。
图2例示了根据本公开的无水箱热水器实施方式的燃烧器元件和管道的单独视图。
图3是和图1中的一样但还被构造为具有再循环回路的无水箱热水器的控制系统的实施方式的示意图。
图4A至图4H是在对加热的水的不同需求水平下关于图3所示的实施方式可能的流动的示例模式的示意图。
图5是无水箱热水器的控制系统的实施方式的示意图，该无水箱热水器除了该实施方式不包括入口歧管与热交换管道之间的一组阀之外其他与图3中的无水箱热水器一样。
附图仅例示了本公开的示例实施方式，因此不被认为限制了其范围，因为本公开可以承认其他相同有效的实施方式。附图所例示的元件和特征不是必须为等比例，重点反而在于清楚例示示例实施方式的原理。另外，为了帮助直观地传达这种原理，可能夸大了特定维数或位置。
在示出了无水箱热水器及其控制系统的示例实施方式的前述附图中，可以省略、重复和/或替代所示的部件中的一个或多个。因此，无水箱热水器及其控制系统的示例实施方式不应被认为限于在附图中的任何一个中示出的部件的特定结构。例如，在一个或多个附图中示出或关于一个实施方式描述的特征可以应用于与不同附图或描述关联的另一个实施方式。
具体实施方式
本公开涉及无水箱热水器以及使用该无水箱热水器的系统和方法。本公开的无水箱热水器实施方式可以被构造为具有多个独立可操作热交换器，这些热交换器独立或共同以任意组合用于基于对热水的需求水平来加热水。实施方式可以被构造为选择哪些热交换器用于加热进入的水，其中，选择可以是随机的，或者可以基于数据，诸如特定热交换器部件的过去使用或性能。本公开的实施方式还可以被构造为使水流过未用于加热水的热交换器，并且将这种水引导到再循环回路。实施方式可以被构造为即使在热交换器中的一个或多个变得不可操作但是不是全部不可操作，也维持操作。在本公开的范围内的实施方式可以促进水的更高效加热，因为再循环回路可以吸收一些热量，否则这些热量可能被浪费。在本公开的范围内的实施方式与当前无水箱设计相比可以促进减少在给定时间段期间积累的水垢的量，并且可以提高热交换器的寿命和/或降低维护成本。
下文中将示例参照例示了本公开的实施方式的附图更完全地描述一些代表性实施方式。然而，本公开可以以许多不同的形式来具体实施，并且不应被解释为限于这里阐述的实施方式；相反，这些实施方式被提供为使得本公开将全面且完整，并且将向本领域适当技术人员完全表达本公开的范围。
现在转到附图，图1描绘了无水箱热水器10的示意图，该无水箱热水器包括根据本公开的热交换器20的实施方式。热交换器20包括：入口歧管100；出口歧管200；多个管道300a至300d(总称为管道300)，这些管道限定入口歧管与出口歧管之间的流路305a至305d(总称为流路305)；多个阀340a至340d(总称为阀340)，每一个阀各自与多个管道300中的每一个关联；多个燃烧器元件400a至400d(总称为燃烧器元件400)，这些燃烧器元件被构造为使得单个燃烧器元件400旨在加热管道300的单个部分。
入口歧管100包括被构造为与冷水源600(图2)耦合的入口端口102。入口歧管100还包括用于每一个管道300的管道入口端口(例如，管道入口端口104)。借助管道端口104，管道300可以与入口歧管100流体连通。
类似地，出口歧管200包括被构造为耦合到热水源管道系统的出口端口202。出口歧管200还包括用于每一个管道300的管道出口端口(例如，管道出口端口204)。借助管道出口端口204，管道300可以与出口歧管200流体连通。
多个管道300限定在入口歧管100与出口歧管200之间延伸的多个流路305a至305d。虽然当前实施方式描绘了四个管道300，但理解，可以使用适于所估计的需求最大值的任意数量的管道300，诸如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个管道。管道由导热材料组成，诸如包括铜或铝或由其构成的材料。管道300在尺寸和形状上被构造为促进需要满足期望的温度和期望的输出流量的内部穿过的水的快速加热。在一些实施方式中，各管道300的内径关于0.5m/s至6m/s(例如，0.5m/s至2m/s、2m/s至4m/s或4m/s至6m/s)之间的流速可以被选择为0.4gpm至0.8gpm。在一些实施方式中，各管道300的内径可以为4mm至10mm，例如，4mm至6mm、6mm至7mm、7mm至8mm或8mm至10mm。在一些实施方式中，管道的长度可以在2cm至50cm之间。应理解，这些变量取决于加热器10的容量。
燃烧器元件400可以具有适于与管道300一致地布置的形状，以促进沿着管道的长度加热管道并最终促进管道的所需的加热速率。在所示的实施方式中，燃烧器元件400是燃烧器条，并且管道300是直管。燃烧器元件400旨在加热特定管道300，并且与该管道大体平行或对齐。图2例示了燃烧器元件400与管道300之间的该平行关系。在图2所示的实施方式中，管道300为1×10构造(还被称为单堆构造)，并且多个管道300处于相同的1×10构造，并且处于与燃烧器元件400相邻并对齐的状况。燃烧器元件400被构造为向管道300施加足够的热量，以促进需要满足期望的温度和期望的输出流量的内部穿过的水的快速加热。在一些实施方式中，独立燃烧器元件400被构造为产生1300btus至11000btus。
燃烧器元件400被构造为耦合到燃料源650。燃烧器元件可以经由阀440a至440d(总称为阀440)与燃料源连通。
阀340可以是双通阀或双通阀与三通阀的组合。例如，下面描述的图1所描绘的实施方式包括双通阀340a和340b以及控制到两个管道300c和300d的流动的一个三通阀340c的组合。340c处的三通阀被构造为仅向管道300c、仅向管道300d或两个管道300c和300d引导流体，和阻止流体到两个管道300c和300d。阀440可以是双通阀。
可致动部件(即，阀340、440以及燃烧器元件400)包括自动化致动器。例如，阀340、440被构造为经由螺线管来致动。类似地，燃烧器元件400被构造为经由控制开关来致动。
无水箱热水器10还可以包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器与流路305连通，以测量流过无水箱热水器的水的一个或多个物理变量。这种传感器可以包括至少一个温度传感器550，该至少一个温度传感器可以被构造为测量加热的水的温度，或者被构造为测量来自冷水源的水或入口歧管100内的水的温度。为了促进确定对加热的水的需求水平，传感器可以包括与出口端口202流体连通的流量传感器或压力传感器555。一个或多个压力传感器或流量传感器可以与多个管道中的每一个流体连通，以促进独立地确定管道可操作性或性能水平。这种传感器对于识别系统内是否存在水垢积累可以是有用的。
图1还描绘了无水箱热水器10的控制系统。该控制系统包括控制器500；流量传感器或压力传感器555，该传感器布置在多个管道300下游的流路305e内并且电耦合到控制器500；温度传感器550，该温度传感器也布置在多个管道300下游的流路305e内并且电耦合到控制器500；至少一个控制开关，该至少一个控制开关可操作地耦合到控制器并且被构造为独立致动多个燃烧器元件；以及用于阀340、440的每一个的阀致动器，该阀致动器可操作地耦合到控制器。
本领域技术人员应熟悉控制器在像无水箱热水器的装置中的使用，这些装置包括集成传感器和自动化致动器，这些自动化致动器由控制器基于来自传感器的输入和在控制器中存储的预定指令来致动。控制器500可以在软件、固件、硬件或三者中的至少两个的某一合适组合中实施。控制器500被构造为接收并处理来自传感器555、550的输入，并且发送致动各种阀340、440以及燃烧器元件400的信号。控制器500还可以被构造为发送请求来自传感器(例如，传感器555、550)的输入的信号。控制器500可以包括数据信号发送器/接收器502，该数据信号发送器/接收器被构造为诸如借助电路或无线连接直接或间接接合、联合或连结到这里描述的自动化致动器和传感器。控制器500可以包括中央处理单元(CPU)504和存储指令模块的存储器506，该指令模块被构造为处理来自传感器555、550的输入，以确定将要致动哪些阀340、440以及燃烧器元件400。控制器500被构造为发送触发燃烧器元件400的自动化致动器以及阀340、440的信号，以根据信号致动。
控制器500被构造为致动部分地由对加热的水的需求水平确定的各个阀340，使得随着对加热的水的需求水平提高而致动多个第一阀340中的增加数量的阀340，以允许流体流动。类似地，控制器500被构造为致动部分地由对加热的水的需求水平确定的多个燃烧器阀440中的各个阀440，使得随着对加热的水的需求水平提高而致动多个阀440中的增加数量的阀440，以允许燃料流动到燃烧器元件400。控制器500可以被构造为基于来自流量或压力传感器555的输入确定对加热的水的需求水平。指令模块被构造为确定为了满足需求水平需要多少管道300来加热水。
控制器500可以被构造为随机选择哪一个热交换器流路305要用于加热。例如，控制器500可以被构造为在基于对加热的水的需求水平确定当仅需要管道300的一部分来加热水时随机选择要致动哪些阀340和关联的燃烧器元件400。
控制器500可以被构造为使管道300和关联的燃烧器元件400在不可操作或起不良作用时离线，并且仅用剩余管道300操作。与多个管道中的每一个流体连通来辅助独立地确定管道可操作性或性能水平的一个或多个传感器(例如，温度、压力和/或流量传感器(未示出))可以耦合到控制器500。这种传感器对于警告所有者或技术人员在特定管道300内存在显著的水垢积累可以是有用的。
图3描绘了和图1所例示的无水箱热水器10一样但还被构造为具有再循环回路的无水箱热水器的控制系统的示意图。图3所示的控制系统包括与图2关联描述的所有元件和功能，并且如下面进一步描述的，还包括：再循环歧管700；入口歧管105，该入口歧管除了它还包括与再循环歧管700流体连通的入口再循环端口107之外与入口歧管100完全相同；多个第二阀380a至380d(这里总称为第二阀380)；以及控制器505，该控制器除了它包括用于管理再循环回路并控制与其关联的阀380的附加能力之外，其他与控制器505完全相同。
再循环歧管700包括用于多个管道300中的所有管道或一部分的再循环管道端口702a至702d(这里总称为再循环管道端口702)，并且被构造为使得每个再循环管道端口702可以仅与多个管道300中的一个流体连通并与其关联。再循环歧管700被构造为与入口歧管105的入口再循环端口107流体连通。
多个第二阀380中的每一个与再循环歧管700和多个管道300中的一个流体连通。每个阀380被构造为向出口歧管200或再循环歧管700二者之一引导流体。阀380可以是三通阀。阀380可以被构造为经由诸如螺线管的自动化致动器来致动。
控制器505还可以被构造为致动由对加热的水的需求水平确定的多个第二阀380中的每个阀，使得随着对加热的水的需求水平提高，增加数量的阀380将向出口歧管200引导流体。例如，控制器505可以被构造为使得如果与特定管道300关联(或最靠近该管道)的燃烧器元件400被致动，则与该管道300关联的阀380也被致动，以向出口歧管200引导流体。
在一些实施方式中，控制器505可以被构造为使得如果与特定管道300关联的阀380被致动来向再循环歧管700引导流体，则与该管道300或阀380关联(或最靠近该管道或阀)的燃烧器元件400不被致动。
和控制器500中一样，控制器505可以被构造为随机选择哪一个热交换器流路305要用于加热。另选地，控制器505可以基于之前使用或性能数据选择热交换器流路。位于被加热的管道300侧面的管道将具有被引导到再循环歧管700并最终回到入口歧管105的、流过它们的水。图4A至图4H中描绘了处于25％、50％、75％以及100％需求水平的各种流动模式的示例。如图4A至图4H所示，点线指示具有水流的流路，而没有点线的管道指示没有水在流动。在具有水流的流路的情况下，点线指示水是否流到出口歧管(并因此被加热)，或者水是否由阀引导到再循环歧管。图4A至图4H所提供的示例未例示所有可能的模式，而是为了演示目的仅例示一些。图4A至图4D例示了在需求水平仅需要加热单个管道300时的流动模式。用示例的方式，图4A具有被加热并指向出口歧管200的管道300d和指向再循环歧管700的管道300c。图4E和图4F例示了在需求水平需要加热两个管道时的流动模式。图4G例示了在需求水平需要加热三个管道时的流动模式。图4H例示了在需求水平需要加热所有四个管道时的流动模式。
图5描绘了和图3所例示的系统一样但不具有阀340的无水箱热水器的控制系统的示意图。图5所示的控制系统另外包括与图3关联描述的所有元件和功能。
本公开的其他实施方式包括用上述无水箱热水器和控制系统加热水的方法。加热水的方法可以包括以下步骤：允许冷水从冷水源流到输入歧管105中；致动阀340，使得水流过输入歧管105、流过一个或多个管道300并流到出口歧管200中；以及致动阀380，使得水流过输入歧管100、流过一个或多个管道300、流过再循环歧管700并流到输入歧管105中，以与冷水混合，其中，流到出口歧管200中的水是加热的水，并且流过再循环歧管700的水处于比加热的水的温度低的温度。
其他方法可以包括以下步骤：为了加热水而随机选择哪一个阀340和/或380和燃烧器元件400配对来致动。
这些公开涉及的领域中的技术人员将想到这里阐述的本公开的许多修改和其他实施方式，这具有在前面描述和关联附图中呈现的示教的益处。因此，要理解，本公开不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在被包括在该申请的范围内。虽然这里采用具体术语，但它们仅是在一般和描述意义上使用，而不是用于限制的目的。

Claims (18)

1.一种用于无水箱热水器的热交换器，其特征在于，该热交换器包括：
入口歧管，该入口歧管包括入口端口和入口再循环端口；
出口歧管，该出口歧管包括出口端口；
多个管道，所述多个管道中的每一个包括第一阀并且限定所述入口歧管与所述出口歧管之间的流路，其中，所述多个管道中的每个管道与所述入口歧管的入口管道端口以及所述出口歧管的出口管道端口关联；
再循环歧管，所述再循环歧管与所述入口再循环端口流体连通；以及
控制器，该控制器被配置为致动所述第一阀中的每一个由对加热的水的需求水平确定的第一阀，使得将多个所述第一阀中的随着对加热的水的所述需求水平提高而数量增加的第一阀致动为允许流体流动，
其中，所述再循环歧管包括用于除所述多个管道中的一个管道之外的所有管道的再循环管道端口，并且被构造为使得每个再循环管道端口能够仅与所述多个管道中的一个管道流体连通并关联。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括传感器，该传感器布置在所述多个管道的下游的流路内并且电耦合到所述控制器，其中，所述控制器被配置为基于来自所述传感器的输入确定对加热的水的所述需求水平。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括多个第二阀，所述多个第二阀中的一个分别与所述再循环歧管和所述多个管道中的一个管道二者流体连通，并且其中，各第二阀被构造为向所述出口歧管或所述再循环歧管引导流体。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为致动所述多个第二阀中的每一个由对加热的水的所述需求水平确定的第二阀，使得所述多个第二阀中的随着对加热的水的所述需求水平提高而数量增加的第二阀将向所述出口歧管引导流体。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括多个燃烧器元件，每一个燃烧器元件分别与所述多个管道中的一个管道关联且平行，并且所述热交换器还包括被构造为独立致动所述多个燃烧器元件的至少一个控制开关，其中，所述至少一个控制开关可操作地耦合到所述控制器。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述多个燃烧器元件为单堆构造，并且所述多个管道为单堆构造。
7.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为使得如果所述第一阀中的一个第一阀被致动为允许流体流动，则致动最靠近与被致动的该第一阀关联的所述管道的燃烧器元件。
8.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为使得如果致动所述多个第二阀中的第二阀向所述出口歧管引导流体，则致动最靠近与被致动的该第二阀关联的所述管道的燃烧器元件。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为使得如果致动所述多个第二阀中的第二阀向所述再循环歧管引导流体，则不致动最靠近与该第二阀关联的所述管道的所述燃烧器元件。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为在基于对加热的水的所述需求水平确定仅需要所述多个第一阀中的一部分第一阀来允许流动时，随机选择所述多个第一阀中的第一阀来允许流动。
11.一种用于无水箱热水器的热交换器，其特征在于，该热交换器包括：
入口歧管，该入口歧管包括入口端口和入口再循环端口；
出口歧管，该出口歧管包括出口端口；
再循环歧管，该再循环歧管与所述入口再循环端口流体连通；
多个管道，所述多个管道中的每个管道限定所述入口歧管与所述出口歧管之间的流路，其中，所述多个管道中的每个管道与所述入口歧管的入口管道端口以及所述出口歧管的出口管道端口关联，并且
其中，所述再循环歧管包括用于所述多个管道中的所有管道的再循环管道端口，并且被构造为使得每个再循环管道端口能够仅与所述多个管道中的一个管道流体连通并关联；以及
多个第一阀，所述多个第一阀中的每一个第一阀均与所述再循环歧管和所述多个管道中的一个管道二者流体连通，并且其中，所述多个第一阀中的每个第一阀被构造为向所述出口歧管或所述再循环歧管引导流体。
12.根据权利要求11所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括控制器，该控制器被配置为致动所述多个第一阀中的每一个由对加热的水的需求水平确定的第一阀，使得致动所述多个第一阀中的随着对加热的水的所述需求水平提高而数量增加的第一阀，以向所述出口歧管引导流体。
13.根据权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括压力传感器，该压力传感器布置在所述多个管道的下游的流路内并且电耦合到所述控制器，其中，所述控制器被配置为基于来自所述压力传感器的输入确定对加热的水的所述需求水平。
14.根据权利要求13所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括多个燃烧器元件，每一个燃烧器元件分别与所述多个管道中的一个管道关联且平行，并且所述热交换器还包括被构造为独立致动所述多个燃烧器元件的至少一个控制开关，其中，所述至少一个控制开关可操作地耦合到所述控制器。
15.根据权利要求14所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为使得如果致动所述多个第一阀中的第一阀向所述出口歧管引导流体，则致动最靠近与被致动的该第一阀关联的所述管道的燃烧器元件。
16.根据权利要求15所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为使得如果致动所述多个第一阀中的第一阀来向所述再循环歧管引导流体，则致动最靠近与不被致动的第一阀关联的所述管道的所述燃烧器元件。
17.根据权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述控制器被配置为在基于对加热的水的需求水平确定仅需要多个所述第一阀中的一部分第一阀来向所述出口歧管引导流体时，随机选择所述多个第一阀中的第一阀来向所述出口歧管引导流体。
18.一种在根据权利要求1至17中任一项所述的热交换器中加热水的方法，该方法包括：
允许冷水从冷水源流到输入歧管中；
致动第一阀，使得水流过输入歧管、流过一个或多个管道并流到出口歧管中；以及
致动第二阀，使得水流过所述输入歧管、流过一个或多个管道、流过再循环歧管并流到所述输入歧管中，以与所述冷水混合，
其中，流到所述出口歧管中的所述水是加热的水，并且流过所述再循环歧管的所述水的温度比所述加热的水的温度低。
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