CN110998194A - 再循环流体加热系统 - Google Patents

Abstract

液体加热系统包括即时加热器(18)，其具有连接到贮存器(62)的入口(20)。加热器的出口(22)连接到使用已加热液体的固定装置(72)，还通过返回连接(30)连接到贮存器。在空闲模式，泵(40)从贮存器(62)抽取液体，使得液体通过加热器循环并回到贮存器。控制器(52)启动加热器，以将液体加热到第一设定点温度，使得贮存器中的液体稳定在第一设定点温度。在供应模式，一些或所有已加热液体从出口流到固定装置(72)。允许冷液体从供应源(60)到达贮存器，并且理想地冷液体也和来自贮存器的液体一起供应到加热器入口，使得加热器入口接收这些液体的组合。控制器控制组合中的冷液体和来自贮存器的液体的比例，以便将加热器维持在设定点加热速率，同时还将从加热器出口排出的液体的温度维持在设定点温度或者接近设定点温度。

Description

再循环流体加热系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月6日提交的第62/515,831号美国临时专利申请的权益，其公开通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及用于加热流体的设备和相关方法。

背景技术

在很多应用中，期望将液体加热到指定的使用温度。例如，用于供应可饮用水的管道系统通常包括水的供应源(例如公共用水主连接、井或者存储水池)以及加热器，加热器用于对一些水进行加热以产生用于应用(例如洗澡、洗手、洗衣等)的热水。

在这以前，管道系统中已经使用了两种主要类型的液体加热器。“水箱类型”的加热器使用例如油或气体燃烧器或者电阻元件的热源，以对充满水的水箱加热，以便在使用温度下积蓄一定量的热水。连接到水箱的固定装置间歇性地从水箱的顶部抽取热水，同时来自供应源的冷水进入水箱的底部。通常，在峰值需求时间段，热源不能以足够高的速率对水加热从而替换从水箱中抽取的所有热水。因此，在峰值需求时间段，热水的储备可能耗尽，并且供应到固定装置的水的温度将下降。因为水箱是受热的压力容器，它通常是大工厂制造的设备，该设备包含安全特征以防止在出现故障的情况下的蒸汽爆炸。这易于使得水箱本身昂贵，并且也提高了运输和安装水箱的成本。而且，从水箱到周围空气的热损失通常使得水箱类型的加热器即使在没有从固定装置中抽取热水的情况下也消耗能量。

“即时”加热器布置成当水从源头到达固定装置时对来自源头的水进行加热，并且不存储大量已加热的水。即时加热器包括热源，例如燃烧器以及热交换器、布置成对流动的水进行加热的电阻元件，或者布置成引导电流通过流动的水的电极。即时加热器可以是紧凑的，并且能够具有更低的运输和安装成本。然而，即时加热器通常必须以足够的速率提供热，从而在峰值需求时间段以最大流速率对水进行加热。这往往会增加加热器的尺寸和成本。而且，加热速率可能受可用功率供应(例如可用的电功率)的限制。

然而，仍然期望更多的改进。

发明内容

本发明一方面提供了一种液体加热系统。根据本发明的这一方面的系统理想地包括贮存器以及与贮存器连通的冷液体供应源。该系统理想地包括具有入口和出口的加热器，该入口连接到贮存器，该出口连接到一个或多个固定装置，这些固定装置将使用已加热的液体。根据本发明的这一方面的系统理想地还包括连接在加热器的出口和贮存器之间的已加热液体返回连接。该系统理想地还包括与加热器串联连接的泵，由此泵能够从贮存器中抽取液体，并且驱使液体在预定的下游方向上通过加热器并且通过返回连接到达贮存器。优选地，该系统包括控制器，该控制器可操作成启动加热器，从而将热供应给经过入口到出口的液体，以便使出口处的液体达到设定点温度。返回连接和泵理想地构造成并且布置成允许从加热器的出口到贮存器的液体流，但是阻止从贮存器通过返回连接到固定装置的液体流。根据本发明的这个方面的系统可以包括连接在冷液体的源和加热器的入口之间的冷液体摄入连接，控制器操作成启动冷液体入口连接，从而阻止通过入口连接的冷液体流，或者提供冷液体流以便将冷液体和来自贮存器的液体的组合供应到加热器的入口。控制器可操作成控制(i)来自冷液体摄入连接的冷液体与(ii)来自贮存器的供应到加热器的入口的液体的比例，并且由此将加热器维持在设定点加热速率或者接近设定点加热速率的加热速率，同时将从加热器中排出的液体维持在设定点温度或者接近设定点温度。正如以下进一步讨论的，根据本发明的这一方面的特定系统能够在各种流情况下提供有用的加热性能。

本发明的另一方面提供了一种用于在液体加热系统中使用的加热单元。根据本发明该方面的加热单元理想地包括框架以及安装至框架的组件。这些组件理想地包括具有入口和出口的加热器，并且还可以包括连接到加热器的出口的出口端连接，出口端连接总成包括贮存器返回连接点和固定装置连接点，也包括限定与加热器的入口连通的贮存器抽取连接点的入口端连接。安装至框架的组件可以包括与加热器串联的泵，该泵可操作成驱使液体从入口端连接通过加热器到出口端连接，出口端连接总成布置成允许液体流从加热器的出口到贮存器返回连接点，但是阻止液体流从贮存器返回连接点到加热器的出口和固定装置连接点。根据本发明的这一方面的单元理想地还包括控制器，该控制器可操作成启动加热器，从而将热供应给经过入口到达出口的液体，以便将经过出口离开的液体维持在设定点温度。根据本发明的这一方面的单元可以用于，例如，构造如以上所讨论的系统。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的加热单元和系统的示意的局部剖视视图。

图2是描述在图1的单元和系统中可用的控制制度的示意图。

图3是类似于图1的视图，但是描绘根据本发明的又一实施例的单元和系统。

图4是类似于图1和图3的另一视图，但是描绘了根据本发明的又一实施例的单元和系统。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例的模块加热单元10(图1)包含用于安装到单元的其他组件的框架12。在这一实施例中，框架10包括结构元件14和罩部16，该结构元件14用于支承以下讨论的其他组件，罩部16布置成使得罩部和结构元件配合限定一封闭件。单元10的其他组件可以部分地或者全部地设置在该封闭件之内，并且通过常规元件(未示出)固定至框架。期望地，单元10在工厂的大规模生产中被预组装，以便在对该单元进行安装的场所减少对于现场工作的需求。

单元10包括具有入口20和出口22的加热器18。加热器18构造成并且布置成对经过入口20到出口22的液体进行加热。加热器18可以是在本领域中通常被称为“即时”加热器的类型的加热器。即时加热器的一种形式是欧姆加热器，欧姆加热器通过引导电流通过液体本身来对液体进行加热，使得通过在该液体自身内部的从电能到热的转换而使液体被加热。美国专利7,817,906和9,587,853以及已公开的国际申请公开WO2018/085773公开了某些特别理想的欧姆加热器，这些文献中的公开在此通过引用合并到本文中。可以使用其他类型的即时加热器。例如，加热器18可以是电阻加热器或者是燃烧加热器，电阻加热器布置成引导电流通过固体加热元件，该固体加热元件被与液体电隔离，并且将热从加热元件转移到液体；燃烧加热器包括燃烧器和热交换器，以将热从燃烧的气体转移到液体。加热器18理想地布置成改变每个单位时间供应到液体的热量，本文称为“加热速率”，当加热器正在运行时，其范围为非零值。这种改变可以是连续的或逐步的。然而，如果变化是逐步的，则其理想地包括大量接近于连续变化的步骤。

出口端连接24包括连接到加热器的出口22的管26。分支连接管27从管26延伸到固定连接点28。另一分支管30从管道26延伸到贮存器返回连接点32。止回阀34安装在分支管30内。止回阀允许从加热器出口22流到贮存器返回连接点32，但是阻止相反方向上的流动。

入口端连接36在贮存器抽取连接点38和加热器18的入口20之间延伸。泵40连接到入口端连接中，并且因此以串联流的关系与加热器18连接。泵构造成并且布置成通过从贮存器抽取连接点38抽取液体并且迫使液体通过加热器的入口使液体在前向流动方向上运动。在该实施例中，泵38可以是相对低功率的泵。

冷水摄入连接管42从冷液体供应连接点45延伸到入口端连接36。节流阀44安装在冷水摄入连接管道42中。阀44由致动器(例如螺线管致动器或者马达驱动的致动器)操作。致动器能够使阀44位于完全关闭的位置、完全打开的位置或者中间位置，以便改变冷水摄入中的流阻力：在完全关闭的位置，阀完全地阻止冷水摄入42中的流；在完全打开的位置，该阀对冷水摄入中的流施加低阻力。

模块加热单元10还包括与通过加热器的出口22到达固定连接点27的液体热连通的温度传感器50。期望地，温度传感器设置成与出口相邻，例如，设置在加热器内的出口处或者出口的略微上游处，设置在加热器和出口的操作元件之间，或者设置在出口端连接24的管26内。将温度传感器定位到靠近加热器的操作元件，将使温度传感器响应加热器的运行中的变化所需的时间最小化。

单元10还包括控制器52。控制器52链接到温度传感器50，用于出口液体温度信息的接收；链接到加热器18，使得控制器能够检测由加热器应用的加热速率并且调节加热速率；链接到泵40，使得控制器能够启动和停用泵；并且链接到阀致动器46，使得控制器能够打开和关闭阀44，并且将阀44调节到中间位置。控制器52布置成执行以下讨论的控制操作。控制器可以包括模拟电子元件、数字电子元件或者混合电子元件，并且还可以包括光学元件、机械元件和电磁元件。最典型地，控制器包括一个或多个可编程数字微电子电路，这些可编程数字微电子电路被编程为执行以下讨论的控制操作。程序可以是电路中的“硬线”，或者可以存储为包含于控制器中的存储器(未示出)中的一组或多组指令。控制器可以具有已存储的设定点温度，并且在制造期间设定点加热速率被永久地存储，或者控制器可以具有用户可调节的控制(未示出)，用于调节设定点温度、设定点加热速率中的一者或两者。控制器通常包括用于在逻辑电平信号和致动其他组件所需电平的信号之间进行转化的常规接口和驱动电路(未示出)，并且还可以包括常规的数字到模拟和模拟到数字的转换器。单元10还包括适当的电源供应连接(未示出)，用于向系统的其他元件供应电压。其中加热器是燃烧加热器，理想地，单元10中也包括适当的燃料供应连接。连接到加热器的电源供应连接和燃料供应连接也可以连接到控制器的驱动电路。虽然在图1中将控制器描绘成单件结构，但是其可以包含执行以下讨论的各种功能的多个元件。同样，虽然控制器被描绘成容纳在由框架10限定的封闭物内，但是组成控制器的一些或所有元件可以设置在控制器的外部。控制器的元件之间的连接以及控制器和单元10的其他元件之间的连接可以通过通信的任何媒介产生。

单元10还可以包括备份元件(未示出)，以确保在组件故障的情况下的安全。例如，单元可以包括例如熔断丝的元件或其他热响应元件，用于在加热器内的温度上升到安全阈值以上的情况下切断到加热器18的电源，并且可以包括用于在加热器内释放过多压力的安全阀。

根据本发明的又一实施例的加热液体供应系统包括单元10。图1中描绘的系统布置成例如在建筑物或车辆中供应已加热的可饮用水。该系统包括冷水的源60，并且该源布置成在例如通常在管道系统中使用的压力下供应冷水，例如，每平方英寸约40磅至约125磅，或者约275KPa到约860KPa。例如，冷流体源可以是到公共系统总水管的连接，或者为在乡村地区中常用的井泵和压力水箱。该系统还包括压力容器的形式的贮存器62，例如能够承受由冷流体源施加的压力的水箱。水箱62具有通过止回阀67连接到源60的供应端口64，使得来自源的冷水能够进入水箱或者接近水箱的底部，但是水不能流出水箱。源60还在连接点45连接到单元10的冷水摄入连接管42。

水箱62具有热水出口端口66，其在单元10的贮存器抽取连接点38处连接到入口端连接36。返回流管道68在连接点32处连接到单元10的出口端连接24。返回流管道从水箱62的壁延伸，并且在水箱的顶部下方和端口66下方但是在水箱的底部的上方终止。

最优选地，贮存器或水箱62不包括内部加热源。用另一种方式说，水箱62理想地为“不燃烧的”压力容器。

出口端连接24在建筑物或车辆中的连接点28处连接到热水分配管路，并且因此连接到消耗热水的建筑物中的各种固定装置72。正如示意性地示出的，固定装置可以包括例如淋浴头72a、洗涤机72b和饮料酿制装置72c的设备。这些固定装置中的一些或所有设备也可以通过其他管路(未示出)连接至冷水源60。

在运行中，在根据本发明的又一方面供应加热流体的方法中，由源60在压力下维持以上提到的水箱62和管以及连接。

控制器52监控由传感器50测量的经过加热器离开的水的温度，并且调节加热速率以便将此温度保持在设定点，并且还调节冷液体摄入阀44，以便将加热速率维持在设定加热速率。图2描绘了该控制方案。流进加热器中的水处于入口温度。加热器18将通过与加热速率除以通过加热器的流速率相等的量来提升水的温度，以产生由传感器50检测的出口温度。设定点温度和出口温度之间的差异构成温度错误信号，该信号被传递通过温度转移函数S_T从而提供处理后的错误信号，并且根据处理后的错误信号调整加热速率，以便在出口温度下降时增加加热速率，反之亦然。转移函数可以包括一个或多个在控制系统领域中通常称为比例、积分和微分的组成部分。

控制器还监控由加热器18应用的加热速率，并且从设定点加热速率中减去加热速率以产生加热速率错误，加热速率错误由加热速率传递函数S_H处理，以产生处理后的错误信号。这里再次说明，传递函数可以包括一个或多个比例、积分和微分的组成部分。如果加热速率在设定点加热速率以下，那么控制器启动阀致动器46，使得冷水摄入阀44逐渐地打开，并且通过阀44的流阻力下降。

在空闲情况下，当固定装置72没有从系统中抽取水时(图1)，穿过冷液体摄入阀44将有很小或者没有压差，并且因此无论阀是打开还是关闭，实质上没有流通过冷液体摄入连接42。在这种情况下，泵40将水进行循环，从水箱通过热水出口66、通过加热器18、并且通过出口端连接24和管道68回到水箱，使得进入加热器的水的入口温度将与水箱的顶部附近的水的温度相等。在开始时，水箱62中充满冷水，这将远在设定点温度以下，并且控制器将使得加热器18达到高加热速率。随着连续运行，已加热的水将在水箱的顶部附近积聚，并且入口温度将在设定点处的预设公差以内逐渐地上升，于是加热速率将下降为零。如果加热速率在预确定间隔中保持为零，那么控制器将在停用间隔(其可以是，例如，几分钟到大约半小时)中使泵和加热器停止工作，并且然后可以在停用间隔结束时重新启动泵40，并且恢复监控传感器50处的出口温度，而使加热器18保持停用。如果在水已经循环了一段时间(例如，几分钟)以后该温度由多个预确定公差保持在设定点温度以下，那么控制器启动加热器18并且使泵40维持运行。如果循环水的温度为设定点温度或者在公差以内，而加热器18未启动，那么控制器将使加热器保持停用，使泵停止工作，等待另一停用间隔，并且重复前述步骤。因此，只要水箱62的顶部附近的水位于设定点温度或在设定点温度附近，并且没有从系统中抽取水，控制器就将使加热器维持停用，并且仅将泵启动很短的间隔。通常，水箱的顶部附近的热水通过将传导的和对流的热转移至水箱的底部附近更凉的水中而很快地变凉，使得泵和加热器能时常或一直连续运行，直到水箱62基本上充满处于设定点温度或接近设定点温度的热水。一旦水箱基本上充满热水，加热器就将仅间歇地运行，以弥补来自水箱的热损失。

当一个或多个固定装置被打开以从系统中抽取热水时，系统运行在供应模式。在这种运行模式中，来自源60的冷水通过冷液体入口端口64进入水箱的底部，并且还通过阀44进入入口端连接36，使得泵40将从水箱抽取的热水和冷水的混合物传递到加热器的入口。这将易于使由传感器50测量的出口温度下降，使得控制系统将通过提升加热速率进行响应。如果加热速率超过设定点加热速率，那么控制器将运行致动器46以减小阀44的开口，因此增加了冷液体摄入连接42和入口端连接36之间的流阻力，因此减小了通过阀44的冷水流，并且增加了在水箱的底部通过端口64的冷水流。这在由泵40供应的水中增加了从水箱的顶部抽取的热水的比例，并且增加了入口温度。系统因此易于达到平衡条件，此时加热器运行在设定点加热速率，并且出口温度等于设定点温度。用另一种方式说，通过加热器的流速率根据来自固定装置72的需求而改变。控制器调节从贮存器抽取的热水与来自冷水入口连接的冷水的比例，其被供应到加热器的入口，以便调节进入加热器的入口的水的入口温度，使得在普遍流速率下，加热器将以设定点加热速率运行，从而产生与设定点温度相等的出口温度。

理想地，设定点加热速率为加热器能够提供的最大加热速率或稍微小于该最大加热速率。其中固定装置仅仅抽取热水中的适中的流，阀44将完全打开，以便离开系统的所有热水被通过冷水入口进入并且被加热到设定点温度的水替换。在这种情况下，系统运行时在不确定的、理论上为无限的时间中将不会耗尽存储在水箱62中的热水。在这种运行情况下，加热器将连续运行在设定点加热速率以下的速率。在固定装置从系统中以更高速率抽取热水处，阀44将部分地关闭，使得大量的热水被从水箱中抽取，并且被在水箱的底部通过入口端口64进入水箱的冷水替换。然而，只要加热器保持在设定点加热速率以下，阀44就保持未完全关闭。在这种情况下，加热器18表现为延长系统将继续供应处于设定点温度的热水的时间。用另一种方式说，在这种情况下，加热器18运行以延缓水箱62中的热水的耗尽。在运行的供应模式下，水仅通过加热器18的方式经过贮存器62进入固定装置72，并且仅在从入口20到出口22的下游方向上流经加热器。

以上参照图1讨论的加热器的很多特征可以被改变。例如，出口端连接24可以连接至贮存器或者水箱62，使得热液体返回到贮存器，临近贮存器的底部或者位于贮存器的底部，以便提供返回的热液体和水箱中更冷的液体的更多的混合。这易于在水箱62内提供均匀的温度分布。在一个这样的布置中，出口端连接24的返回流体连接点可以连接到水箱的冷水入口端口64，例如，位于止回阀67和冷水入口端口之间。

可以使用以上讨论的温度调节反馈控制系统以外的控制方案。根据本发明的又一实施例的系统(图3)通常类似于以上讨论的与图1和图2有关的系统，但是具有流传感器104和与冷液体入口管142相关联的温度传感器102。流传感器106和温度传感器108设置在入口端连接136的部段101，入口端连接136连接到贮存器162，并且在服务期间将仅运载来自贮存器的水。出口端连接设置有压力传感器103和流传感器119。所有这些传感器链接到控制器152。在此再次说明，节流阀144设置在冷流体入口管142和入口端连接136之间。阀144由链接到控制器152的致动器控制。也链接到控制器152的另一节流阀和致动器设置在出口端连接124中，位于加热器的出口122和到贮存器162的返回流连接之间。止回阀设置在出口端连接124和建筑物的热水管道170之间的连接处，以防止来自管道和固定装置172的水的回流。

在这个实施例中，贮存器162是不加压、非火加热的容器；虽然贮存器设置有罩部163以防止存储在其中的水受污染，但是罩部安装宽松，使得贮存器保持与大气连通。冷水供应源160与贮存器162通过浮阀167连通，浮阀167由定位在贮存器162内的浮体169致动。阀167在贮存器中的水位下降时打开，并且在水位上升时关闭，使得阀根据需要允许水在贮存器的底部附近进入贮存器，以将贮存器内的水维持为基本恒定的水位。

在运行时，控制器152使泵140致动以驱使水通过加热器118。控制器调节阀111并且调节泵140对由传感器103检测到的压力进行响应的运行速度，以便在出口端连接中保持恒定压力。在空闲运行期间，没有来自固定装置172的需求，流传感器119将指示零流通过出口端连接到达建筑物管道170。控制器将保持节流阀111打开，并且将保持节流阀144关闭，同时使泵140在相对低的功率致动，以使液体通过加热器循环。在这种情况下，泵通过加热器和贮存器简单地对水进行再循环。控制器152设置加热器140对由传感器106检测到的流速率和由传感器108检测到的水温进行响应的加热速率，使得加热器将被循环的水的温度提升到设定点温度。

当一个或多个固定装置172打开以抽取热水时，由传感器119检测至固定装置的流。作为响应，控制器进入启动供应模式。在该模式中，控制器将加热器118的加热速率设置为设定点加热速率，将由泵140传递的抽运功率提升到更高水平，并且部分地或完全地关闭节流阀111，以将传感器103处的压力维持在期望的水平。维持压力所需的节流阀111的设置将随着来自固定装置172的需求而改变；随着需求增加，阀111将逐渐关闭，使得来自加热器118的更少的已加热的水返回到贮存器162。通过加热器的全部流速率可以随着阀111响应来自固定装置的需求关闭或打开而改变。当固定装置172正在以中等速率抽取水时，控制器110通过对来自传感器104以及温水流传感器106的冷水流速率求和来监控总流速率，并且调节节流阀144以便以如下的温度和流速率来传递温水和冷水的混合物：该温度和流速率使得在普遍流速率和设定点加热速率下，经过加热器离开的水处于设定点温度。这里再次说明，向加热器供应温水和冷水的混合物，并且使用加热器使混合物达到高至设定点温度，允许系统供应处于设定点温度的水的时间段延长。

在一些运行情况下，例如，当来自贮存器162的水处于远远低于设定点温度的温度，那么在达到能够以设定点加热速率到达设定点温度的混合物以前，控制器144将使阀144变为完全关闭的状态。如果设定点加热速率处于加热器的最大加热速率以下，那么控制器将所应用的加热速率增加到设定点加热速率以上。在其他运行情况下，当固定装置172正在以低速率抽取水并且当从贮存器172抽取的水处于设定点温度或接近设定点温度时，即使阀144完全打开，对处于设定点加速速率的加热器的操作也将经过加热器118的水加热到设定点温度以上。在这种情况下，控制器110将所应用的加热速率减小到设定点速率以下。

可以改变上述讨论的实施例中的传感器和控制系统。例如，如参考图3所讨论的流敏感控制方案可以用于与图1类似的具有加压贮存器的实施例中。相反，如以上参考图1所讨论的温度敏感的反馈控制系统可以和如参考图3所讨论的泵送系统一起使用。

虽然图3的系统处于空闲情况，但是控制器可以在停用间隔停用泵140和加热器118，然后重新启动泵。这里再次说明，如果在重新启动泵以后，从贮存器抽取的水的温度保持在设定点温度或者接近设定点温度，那么控制器可以在又一停用间隔使泵停止工作。如果不是这样，那么控制器将保持泵运行并且重新启动加热器118。

在以上讨论的系统中，通过可调节阀部分地控制流。这些可以被能够提供可变流的其他部件替换，例如，与冷水摄入相关联的变速泵、贮存器抽取连接以及到贮存器的返回连接。在以上讨论的实施例中，可以通过对到贮存器的冷水入口的连接进行节流或泵送来间接地控制通过冷水入口连接的流。例如，在以上参考图1讨论的实施例中，节流阀44可以设置在到贮存器的冷水入口64的连接中而不是在冷水入口连接44中。在这种布置中，关闭节流阀将增加通过入口连接的冷水的流。在又一布置中，节流阀44可以被重新定位到贮存器抽取连接38，以便控制来自贮存器62的热水的流。这些布置中的任何一个将控制到达加热器入口20的混合物中的来自贮存器的水与来自冷水入口连接的水的比例。泵也可以被连接到加热器的出口的下游或者被包含到加热器内。

如以上讨论，已将设定点温度视为恒定值。然而，控制器可以改变设定点温度。例如，当没有水正在流入固定装置时可以应用第一(相对低的)设定点温度，而当水正在流入固定装置时可以应用第二(更高的)设定点温度。在这种布置中，贮存器中的水的温度将稳定在第一设定点温度，而水将以第二(更高的)设定点温度被供应到固定装置。这种布置减小来自贮存器的热损失，但是也减小能够以更高设定点温度传递到固定装置的最大流速率。在这种布置的一个变体中，可以仅当期望低需求(例如，在通常的私人住所的夜晚期间)时才应用第一(更低的)设定点。

根据本发明的又一实施例的系统(图4)通常类似于以上讨论的图1和图2的系统。然而，出口端连接224包括歧管，歧管连接到加热器的出口222，并且连接到三个出口连接管227a、227b和227c。每个出口连接管227设置有各自的具有致动器的截止阀201a、201b、201c，致动器例如为能够关闭和打开截止阀的螺线管或者马达机构。歧管226连接到通向贮存器返回连接点的支管230和延伸到贮存器268中的返回通道268。

入口端连接236再次包括泵240，并且再次通过贮存器抽取连接238与贮存器的热水出口端口266连接。冷水入口连接242再次通过节流阀246连接到入口端连接。旁路管203与入口端连接器236连通，位于贮存器抽取连接点238与入口端连接器和冷水入口的接合点之间。止回阀207设置在入口端连接器中，位于与旁路管203的接合点和与冷水入口242的接合点之间。止回阀允许在指示方向上的流(如在图4中看到的，为向上)，但是阻止相反的流。旁路管在出口连接管中的阀201c的下游的一点与出口连接管之一227c连通。旁路控制阀205连接到旁路管205中。旁路控制阀205具有相关联的致动器。再循环截止阀215在出口端连接结构的支路230中连接到入口端连接结构。控制器能够关闭阀215，从而阻止歧管226回到贮存器的流，或者将其打开以允许这样的流。前述阀的致动器链接到控制器205，使得控制器能够使所有这些阀致动。

在该实施例中，出口端连接224不包含止回阀。相反，无论何时再循环截止阀215打开，泵240都连续运行，并且将出口端连接226中的压力维持为比贮存器262中的压力更高，从而防止流从贮存器进入出口端连接。

控制器252设置有信号接收器253，例如，无线接收器或者可网络连接的接收器，例如可互联网连接的接收器。

每一个出口连接管227通过适当的单个连接管线连接到不同的固定装置。在这个实例中，不同的固定装置需要不同温度的热水。例如，出口连接管227c连接到固定装置272c，例如用于实现与人类肌肤接触的淋浴头或水槽，并且需要处于第一(最低)使用温度的热水，例如，约至105℉至110℉(40℃至43℃)。出口连接管227b连接到固定装置272b，例如需要处于第二(更高的)使用温度(例如约140°F-160°F(60°C-71℃))的热水的洗碟机或洗衣机。出口连接管227c连接到固定装置，例如需要处于第三(更高的)使用温度(例如190℉至200℉(88℃至93℃))的热水的煮咖啡机272a。每一个固定装置配备有各自的发射器211，发射器211布置成以能够被接收器253接收的形式发送信号，并且该信号通过预分配代码识别相关联的固定装置，并且该信号指示特定的固定装置需要热水。

在空闲模式中，控制器252保持出口阀201a-201c、旁路阀205关闭，并且将再循环截止阀215设置为打开，以便将水从歧管226引导到贮存器262。在空闲模式，控制器将设置点温度维持为第一使用温度，第一使用温度对应于任何所连接的固定装置所需的最低水温。以与如以上讨论相同的方式，加热器运行以使贮存器262中的水达到第一使用温度，并且将其维持在该温度。当固定装置之一需要热水时，它将通过相关联的发射器211发送信号。如果该信号指示必须以第二使用温度或者第三使用温度供应水，那么控制器将加热器218的温度设定点调节至第二使用温度或者第三使用温度。当温度传感器250指示从加热器218排出的水已经达到新的设定点温度时，控制器打开与发送信号的固定装置相关联的出口连接管。例如，如果固定装置272a发送信号，那么加热器将使设定点温度上升到第三使用温度，并且然后打开阀201a。控制器可以部分地或者完全地关闭再循环阀215，以将贮存器262中的水的温度保持在第一使用温度。系统保持处于这种状态，直到固定装置272a发送指示其不再需要水的另一信号。如果在该固定装置向固定装置之一供应水时另一固定装置发送另一信号，控制器将使所有其他出口阀关闭。控制器可以简单地忽略另一信号或者可以将该请求存储在队列中，并且在以后起作用。然而，如果第一固定装置272在这段时间请求水，那么控制器可以使出口阀201c关闭，但是可以通过打开旁路控制阀205来响应该请求，使得处于第一使用温度的水将从贮存器供应到固定装置272c而不经过加热器。

一旦起初请求水的固定装置发送指示该请求已被实现的另一信号，控制器252就将设定点温度恢复至第一使用温度，并且返回空闲模式运行。

如在本公开使用的，术语“管”应理解为包括能够在压力下传送流动液体的任何元件，并且相应地包括如下结构，例如柔性软管和导管以及非圆形横截面的管子，以及常见的圆形横截面的刚性管。

根据本发明的系统、单元和方法可以应用于除水以外的热流体。术语“冷”和“热”也不限于将本发明应用到管道系统时常遇到的温度范围。例如，在用于处理例如熔融金属或熔盐的液体的工业系统中，“冷”液体可以为几百摄氏度的温度，并且“热”液体可以为更高的温度。

以下段落说明了本发明的某些其他方面：

液体加热系统包括贮存器、冷液体供应源、加热器、加热液体返回连接以及控制器。其中，冷液体供应源与贮存器连通；加热器具有入口，该入口通过贮存器抽取连接而连接到贮存器，贮存器抽取连接与贮存器在邻近贮存器的顶部的水位处连通；加热器具有连接到一个或多个固定装置的出口；加热液体返回连接连接到加热器的出口，并且与贮存器连通，以便在贮存器抽取连接的水位以下将液体返回到贮存器；控制器可运行成使加热器致动，从而向经过入口到出口的液体供应热，以便使出口处的液体达到设定点温度。加热器、泵和连接构造成和布置成使得来自贮存器的液体将仅通过贮存器抽取连接来经过加热器，并且将仅通过贮存器返回连接来经过加热器到达贮存器。

一种运行加热液体供应系统的方法，包括以下步骤：

(a)在空闲模式下，通过加热器将液体从贮存器抽取到入口，使加热器致动以对液体加热，并且将液体返回到贮存器，并且控制加热器的运行，以便贮存器中的液体达到第一设定点温度；以及

(b)在供应模式，将液体从贮存器抽取到加热器中，同时还向贮存器供应处于第一设定点温度以下的温度的冷液体，以便提供冷液体和来自贮存器的液体的混合物，同时控制加热器将混合物加热到等于第一设定点温度或者在第一设定点温度以上的设定点温度，并且同时控制(i)来自贮存器的液体与(ii)混合物中的冷液体的比例，使得加热器运行在设定点加热速率，并且同时向固定装置排出至少一些加热后的混合物。

一种根据上一段描述的方法，其中在空闲模式和供应模式下，从贮存器向加热器抽取液体的步骤包括从邻近贮存器的顶部抽取液体。

一种液体加热系统，包括：

(a)贮存器；

(b)冷液体供应源，其与所述贮存器连通；

(c)加热器，其具有连接到所述贮存器的入口，所述加热器具有连接到一个或者多个固定装置的出口；

(d)冷液体摄入连接，其连接在冷液体供应源和加热器的入口之间；

(e)返回连接，其连接在加热器的出口和贮存器之间；

(f)泵，其与加热器串联连接，使得泵能够从贮存器抽取液体，并且驱使液体在预定的下游方向上通过加热器并且通过返回连接到达贮存器；以及

(g)控制器，其可操作成使加热器致动，从而对经过入口到出口的液体加热，并且通过加热器在加热速率的范围内改变供应到液体的热量，控制器操作成控制(i)来自冷液体摄入连接的冷液体与(ii)来自贮存器的供应到加热器的入口的液体的比例，并且由此将加热器的加热速率维持在设定点加热速率或者接近设定点加热速率，同时将从加热器的出口排出的液体维持在设定点温度或接近设定点温度。

一种如上一段落记载的系统，其中加热器连接到贮存器，邻近贮存器的顶部。

虽然已经关于特定实施例对本发明进行了描述，应理解，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例性说明。因此，应理解，在不偏离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对示例性的实施例进行很多改动，并且可以设计出其他布置。

Claims (22)

1.一种液体加热系统，包括：

(a)贮存器；

(b)冷液体供应源，其与所述贮存器连通；

(c)加热器，其具有连接到所述贮存器的入口和连接到一个或多个固定装置的出口；

(d)加热液体返回连接，其连接在所述加热器的出口和所述贮存器之间；

(e)泵，其与所述加热器串联连接，由此所述泵能够从所述贮存器中抽取液体，并且驱使所述液体在预确定的下游方向上通过所述加热器并且通过所述返回连接到所述贮存器；以及

(f)控制器，其可操作用以启动所述加热器，以向经过所述入口到所述出口的液体供应热，以便使处于所述出口的液体达到设定点温度，所述返回连接和泵构造成和布置成允许从所述加热器的出口到所述贮存器的液体流，但是阻止从所述贮存器通过所述返回连接到所述固定装置的液体流。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述返回连接包括止回阀。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述贮存器关闭，并且所述冷液体供应源布置成在压力下供应所述冷液体，以便将所述贮存器中的液体维持在超大气压下。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述贮存器开放于大气，使得所述贮存器中的液体处于大气压下。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述泵可操作成驱动液体通过所述加热器到所述一个或多个固定装置。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括需求传感器，所述需求传感器可操作成检测一个或者多个所述固定装置的运行，以从所述加热器的出口抽取液体，其中所述控制器操作成：当没有固定装置运行时，以第一抽运功率启动所述循环泵，以驱使液体经过所述加热器；并且当一个或多个所述固定装置运行时，以高于所述第一抽运功率的第二抽运功率启动所述循环泵。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述贮存器是非火加热的。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述贮存器从由可堆叠的贮存器、可折叠的贮存器以及在现场构造的贮存器组成的组中选择。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统可操作成：响应于由所述传感器检测到的温度，由所述加热器在非零的加热速率的范围内改变供应到液体的热量。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括冷液体摄入连接，所述冷液体摄入连接连接在冷液体的源与所述加热器的入口之间，所述控制器操作成启动所述冷液体入口连接，以提供流经所述摄入连接的冷液体，由此向所述加热器的入口供应冷液体和来自所述贮存器的液体的组合。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器操作成控制(i)来自所述冷液体摄入连接的冷液体与(ii)来自所述贮存器的供应到所述加热器的入口的液体的比例，并且由此将所述加热器维持在设定点加热速率或者接近设定点加热速率的加热速率，同时将从所述加热器排出的液体维持在所述设定点温度或者接近所述设定点温度。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器操作成检测经过所述加热器的出口离开的液体的温度，其中所述控制器操作成调节由所述加热器应用的加热速率，以便将温度维持在所述设定点温度，并且控制对由所述加热器应用的加热速率做出响应的比例。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统操作成响应于控制输入而改变所述设定点温度，所述控制输入表示在一个或多个所述固定装置上普遍存在的状况。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统操作成响应于控制输入而改变所述设定点温度，所述控制输入表示所述固定装置中的不同固定装置从所述加热器的出口抽取液体的操作。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器操作成检测经过所述加热器离开的液体的温度，并且其中所述控制系统运行成：当由所述传感器检测到的温度为所述设定点温度或者接近所述设定点温度并且所述加热器没有正在供应热时，使所述泵和所述加热器停止工作。

16.根据权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器操作成检测经过所述贮存器进入所述加热器的液体的温度，并且其中所述控制系统操作成：当由所述传感器检测到的温度为所述设定点温度或者接近所述设定点温度时，使所述泵和所述加热器停止工作。

17.根据权利要求15或者权利要求16所述的系统，其中所述控制系统操作成：无论由所述传感器检测到的温度是多少，在停用时间段以后重新启动所述泵，并且然后，响应于由所述传感器检测到的温度，要么(i)维持所述泵运行并且启动所述加热器，要么(ii)再次使所述泵停止工作。

18.根据权利要求1所述的系统，还包括需求传感器，所述需求传感器操作用以检测一个或多个所述固定装置的运行，以从所述加热器的出口抽取液体，并且响应于需求检测而升高所述设定点温度，使得所述加热器以高于存储在水箱中的液体的温度的温度向所述固定装置供应已加热的液体。

19.一种用于液体加热系统的加热单元，所述加热单元包括：

(a)框架；

(b)组件，所述组件安装到所述框架，所述组件包括：

(i)加热器，所述加热器具有入口和出口；

(ii)出口端连接，所述出口端连接连接到所述加热器的出口，所述出口端连接总成包括贮存器返回连接点和固定装置连接点；

(iii)入口端连接，所述入口端连接限定与所述加热器的入口连通的贮存器抽取连接点；

(iv)泵，所述泵与所述加热器串联，所述泵可操作成驱使来自所述入口端连接的液体通过所述加热器到所述出口端连接，所述出口端连接总成布置成允许从所述加热器的出口到所述贮存器返回连接点的液体流，但是阻止从所述贮存器返回连接点到所述加热器的出口和所述固定装置连接点的液体流；以及

(vi)控制器，所述控制器操作成启动所述加热器，以向经过所述入口到所述出口的液体供应热，以便将经过所述出口离开的液体维持在设定点温度。

20.根据权利要求19所述的单元，其中所述出口端连接包括所述加热器的出口和所述贮存器返回连接点之间的止回阀。

21.根据权利要求19或者权利要求20所述的单元，其中所述框架限定封闭件，所述加热器和泵设置在所述封闭件以内，所述连接点可以从所述封闭件的外部接近。

22.一种构造加热液体供应系统的方法，所述方法包括：将如权利要求19所述的单元的贮存器返回连接点和贮存器抽取连接点连接到与所述单元分别形成的贮存器，将所述单元的固定装置连接点连接到一个或者多个适于使用已加热液体的固定装置。

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