CN1171041C - 用于调节加热器循环的方法和装置以及通风加热系统 - Google Patents

Abstract

一种用于调节通风加热系统中的燃烧器循环的方法和装置。控制组件利用在热交换器输出端的传感器测量从热交换器输出的空气温度。在燃烧器接通之后，控制组件观测温度测量值。当两个连续温度测量值相同时，它开始一个确认时间间隔。如果在确认时间间隔结束时的温度与两个连续温度测量值相同，中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔。中断时间间隔不足以使热交换器的温度冷却到使回风扇将关掉的温度之下。

Description

用于调节加热器循环的方法和装置以及通风加热系统

技术领域

本发明大体上涉及在产生加热介质(空气)的过程中消耗矿物燃料(气体/石油)的方法装置，加热介质用于加热需要进行温度控制的环境(空间)的区域。特别地讲，本发明涉及用于调节通风加热系统中的循环的方法和装置以及采用该装置的通风加热系统。

本发明的目的是减少负责产生被分布到将要加热的整个空间的加热介质的加热系统的燃料消耗。实现燃料的减少必须不能具有导致在被控制的环境中温度波动的不利影响，而在安装本发明的装置之前，这种影响是存在的。

背景技术

使用燃烧气体或石油的燃烧器作为加热加热介质(空气)的装置的通风加热系统常常包括如下组件：

a)自动调温器，用于检测所需空间内的温度并启动炉子的燃烧器。

b)燃烧器，用于产生火焰和高温气体。

c)热交换器，该装置用于将火焰和高温气体的温度传递给加热介质(空气)。

d)加热介质分布装置，通常是管道系统。

e)回风扇，用于强制加热介质通过分布装置。

f)在被控制的环境中具有热质和惯性的物品。

一个典型的住宅通风加热系统常常以如下方式加以控制：

当空间中需要热量时，空间自动调温器需要热量而直接使燃烧器通电。一旦在炉子的热交换器内达到某一温度，空气循环风扇采用它自己内装的自动调温器独立地起动。空气循环风扇强制加热介质通过分布装置并使被控制的空间内热量增加。当达到所需的空间温度设定点时，空间自动调温器使燃烧器断电。空气循环风扇继续运转直到热交换器内的温度降到某一温度(通过安装在热交换器的自动调温器内的组件来设定)。上述控制流程被反复进行，以控制空间温度。在一般的商业(屋脊顶炉子)应用中，空气循环风扇可以连续地运转。

关于加热系统，通常所知的是，加热系统的输出能力常常是由以下决定的：

a)系统预期遇到的最差的壳体方案(设计负荷)。

b)设备的平方英尺和其它建筑因素。

c)预期的将来扩大。

d)由于老化导致的系统输出的预期降低。

在对加热系统的需要小于系统的加热能力的任何时候，加热系统是过大的。在通常合适的设计系统中，过大状态存在在大约85％的过程中，并导致加热系统使燃烧器循环而作为控制所需空间内的温度的装置。

试验显示，无论燃烧器燃烧多长时间，从炉子中排出的空气的温度具有一个所达到的最终(最大)温度。无论任何时候，炉子在小于最大设计负荷下使用时，最终温度将被达到并且是由于热交换器不能将火焰和高温气体产生的总热量传递到加热介质而导致的。热交换器不能将火焰和高温气体产生的总热量传递到加热介质部分地是由于热交换器本身无效率，部分地是由于加热介质不能吸收燃烧器能够产生的所有热量。在最终温度期间，保持燃烧器燃烧不具有效果并且造成浪费，因为未被加热介质吸收的热量通常通过烟道系统作为高温气体被排出。

试验还证明，在热交换器中可以利用辅助热能量。该能量可在(通过本发明产生的)燃烧器相对短的周期过程中被利用，以保持充分的加热输出空气温度。

通过智能地使燃烧器在该“最终温度”附近循环并通过利用从热交换器获取的可利用的辅助热量，可实现节省燃料，同时保持相同的空间温度条件。

在被控制空间中的物品的热惯性和热容量被用作某种电容器(capacitor)，以吸收任何短期的热转换。

试验还显示，尽管使燃烧器在热交换器的最终温度附近循环可以减少燃料，但对本发明来说必须不使输出空气的温度降得太低。太低是指这样一个温度，在该温度下没有足够可利用的热能量以对空间进行加热，或在该温度下在加热指令(call)过程中空气循环风扇将不利地停止。通过本发明将不会使这种情况发生。

发明内容

本发明的目的是通过改进和控制燃烧器循环来寻求减少通风(炉子)加热系统的燃料消耗。重要地，请注意，本发明将连同加热系统的控制装置(自动调温器)一起工作，并且不导致燃烧器燃烧，除非具有由加热系统的控制装置发出的这样作的特定指令。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于调节通风加热系统中的循环的方法，该通风加热系统具有一个燃烧器、一个热交换器和一个回风扇，所述方法包括如下步骤：

多次测量从热交换器排出的空气的温度；

在燃烧器接通之后观测多次测量的温度测量值；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时多次测量中的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；以及

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔；

所述中断时间间隔不足以使热交换器的温度降到一个有用值之下。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于调节通风加热系统中的燃烧器运行循环的装置，所述装置包括：

用于检测从热交换器输出的空气的温度的传感器装置；

电子电路装置，该电子电路装置用于：

在燃烧器接通时，记录一个第一起始时间；

监测传感器装置；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录一个第一停止时间；

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔。

根据本发明的另一方面，提供了一种通风加热系统，该通风加热系统具有：

一个燃烧器；

一个热交换器；

一个热交换器空气输出装置；

一个空间能量值传感器；

一个热交换器能量值传感器；

一个循环空气泵；

其改进包括：

用于检测从热交换器输出的空气的温度的传感器装置；

电子电路装置，该电子电路装置用于：

在燃烧器接通时，记录一个第一起始时间；

监测传感器装置；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录一个第一停止时间；

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔。

根据本发明，能够确定热交换器的最终温度以及施加到热交换器上的负荷。该数据可被本发明的计算机程序利用来修改燃烧器的循环，以便最大效率利用转换成热能量的燃料。

这是通过利用本发明设置的并作为整体一部分的一个传感器检测输出空气的温度来实现的。温度信息由本发明中的计算机程序处理并间接地导致燃烧器循环的所有修改。本发明具有确定热交换器最终温度的能力，并随后根据在燃烧器的一个接一个的循环上获得该最终温度所花费时间，确定加热系统上的负荷。当加热系统上的负荷被确定时，本发明所允许的温度下降量也将从一个燃烧器循环到另一循环变化，以实现控制燃烧器的最理想和有效的方式。

因此，本发明希望是能够用于住宅、商用、或工业(自动调温器)所需类型控制系统中的节能装置。本发明将适合新的、改进的和最初的装备制造商(OEM)的设备。本发明也将是易于安装的并且不需要编制程序或进行调节。

附图说明

图1是一个系统图，显示了在一个典型的通风(炉子)加热系统中的本发明。

图2是一个线路图，显示了安装在加热系统线路中的本发明。

图3是本发明的控制盒的电子示意图。

图4是三个图形的叠加，同时显示了具有和不具有本发明的加热系统特性曲线。

具体实施方式

现有技术

图1显示了一个由总体以标号4表示的通风加热系统加热的住宅2，加热空间以标号6表示。通风加热系统4的现有组成包括一个空气入口10，室内空气8和吸入管空气12通过该空气入口由回风扇或送风机16吸进吸入管14。在商用设施或建筑物中，通风是一个重要的因素，回风扇16可以总是保持运转，但在住宅设施中，回风扇16通过热交换自动调温器18来起动。热交换器空气20由回风扇16排入热交换器22中，在这里，燃烧器24加热热交换器22，热交换器空气20在压力作用下作为输出空气26通过输出管28和输出口30，直到温暖空气32排入空间6中。

通常，优选地为低电压的电源34给一个诸如房间自动调温器36的空间能量传感器供电，空间能量传感器检测房间6的温度，如图4底部的曲线所示。一般地，该自动调温器使得在例如燃烧器接通温度68°F(图4中的53)和燃烧器关掉温度72°F(图4中的54)之间有一确定的温滞(hysteresis)。

回到图1，当空间温度位于燃烧器燃烧范围内(图4中T₁和T₇之间的底部曲线)，导线38和40给燃烧器24供电。空气通过入口42吸入炉膛44中，空气在炉膛中支持燃烧器24的燃烧。废气排入烟道46并从烟囱48排出。

火焰50加热热交换器空气20和热交换器22，直到热交换器空气20达到如图4所示的最小回风扇接通温度52。这可以避免在热交换器22被充分地加热以提供温暖舒适的空气之前抽吸空间6周围的冷空气。一旦热交换器达到一个充足的回风扇接通温度(图4中的52)，自动调温器18(图1)从电源58提供动力并闭合电路以起动回风扇16，回风扇驱动输出空气26通过输出管28，输出空气26在这里作为温暖空气32排入空间6中。

只要由传感器18检测的热交换器空气温度(图4中的T₂和T₈之间的曲线)保持在最小回风扇停止温度(图4中的顶部曲线56)之上，回风扇将保持运转。燃烧器继续燃烧直到房间6(图1)的温度达到自动调温器最大值54(图4)，在该温度，自动调温器36中断从电源34到燃烧器24的电流，使火焰50熄灭。但是，热交换器22仍是热的，回风扇16继续运转，直到由传感器18检测的温度降到如图4所示的最小回风扇运转温度56之下。

本发明

本发明包括一个控制箱62，控制箱位于导线38和40之间并与输出空气温度传感器64相连接，输出空气温度传感器检测输出空气26排出热交换器22时的温度。电源66和接地线68完成通向控制箱62的线路。

如图4所示，在标明没有发明的曲线中，一个来自自动调温器36的指令立即导致燃烧器接通。输出空气(图1中的26)通过对流开始稍微加热，直到热交换器传感器18达到它的回风扇接通温度，回风扇16在该温度从停止状态到在(图4中)T₂的运转状态。输出或排出的空气温度开始升高，但最终在T₃达到平稳状态，超过T₃不再加热。这是温度的最大值，在该温度时，热交换器的热量已经使通过热交换器的空气吸收热量的能力达到饱和。这样，在从T₃到T₇的整个时间内，图1的燃烧器24产生热量，使得热交换器的温度升高到超出它能够使通过它的空气温度增加的温度值。这浪费了能量。燃料被消耗了，而在热交换器空气20、输出空气26和温暖空气32(图1)的温度方面没有任何相应的效果。

如图4所示，在标明具有发明的曲线中，输出空气温度传感器64(示于图1中)监测输出空气26的温度。在图4中，由于具有本发明，燃烧器在T₁接通并在T₂保持接通，升高输出空气的温度，回风扇在时间T₂接通。在T₃之前，输出空气达到T_max，T_max可以通过以前的校准或优选地通过以下步骤来确定：

多次测量从热交换器排出的空气的温度；

记录第一起始时间T₁，燃烧器在时间T₁接通；

在燃烧器接通之后观测温度测量值；

当输出空气在传感器64的测量值的两个或多个连续温度基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

在确认时间间隔过程中或结束T₃时观测输出空气温度测量值。

如果在确认时间间隔过程中，温度升高，系统将继续观测连续的温度测量值，直到两个或多个温度相同。

如果在确认时间间隔结束时观测并且不相同，除去开始的确认时间间隔，并继续连续观测。

如果在确认时间间隔过程中温度已经保持在T_max的平稳状态，燃烧器将在T₃关掉。这样，燃烧器不再试图将热交换器22加热到超过其最大热传递能力。因而，对于在T₃和T₄之间的整个中断时间间隔来说，燃料被节省了。

在T₅到T₆的中断时间间隔以及再次在T₇到T₈的中断时间间隔中，循环重复进行，到该时间时，房间6的温度已经超过了在图4中的发出自动调温器燃烧器指令的最大温度54，并且自动调温器36终止其燃烧器指令。该循环将随着每个燃烧器指令重复地进行。

理想地是限制输出空气温度降低，以保持回风扇运转和维持有用的热量输出，通常是110°F。

因此，校准控制箱62有助于通知它在输出空气温度传感器64的什么温度下回风扇16停止。为了进行这种校准，一个安装工必须：

通过调节自动调温器36启动燃烧器指令；

等待热交换器22充分地加热以导致回风扇16接通；

等待燃烧器指令终止；

等待热交换器22的温度充分地降低，以便在自动调温器18达到回风扇16的关掉温度；

按压控制箱62上的校准按钮70；

当回风扇16关掉时，通过输入与输出空气26的温度相应的输出空气能量传感器值，从而校准控制箱。

已经如此校准了图4中的回风扇关掉温度56之后，当输出空气温度位于T_max和T_min之间的中间值时，可以通过在T₄重新起动燃烧器以保持输出空气温度位于T_min之上。

但是，本发明的优选方法是测量热交换器在T₂和T₃之间的热惯性，并从而推断何时在T₄停止燃烧器的中断。

我们将定义在T₂和T₃之间的时间作为耗用时间。耗用时间可以在T₁之后的任何时间开始计算，但优选地是在T₂开始计算耗用时间，因为回风扇的接通在T₂和T₃之间建立了温度增加与热交换器热惯性之间更加线性的关系，它更具有重现性并更加独立于外界的影响。因此，在前面所述的“记录第一起始时间T₁，燃烧器在时间T₁接通”中，“在(at)”意味着其字典定义“位于或接近(on or near)”。我们这里定义“接近”为至少延伸到回风扇接通时间并且优选地基本上与回风扇接通时间一致。当然，如果回风扇总是接通的，“在”将是在或接近燃烧器接通时的某一时间间隔。热交换器22具有的热惯性越大，在T₃之后的输出空气温度接近T_min所花费的时间越长。

时间间隔显然与房间6的热负荷无关。燃烧器关掉的时间间隔T₃-T₄和T₅-T₆显然是可重现的，而无须进一步参照输出空气温度。一旦耗用时间T₂-T₃是已知的，T₃-T₄显然将和T₅-T₆一致，即使T₅-T₆被当作T₄-T₅的一个百分数。

这样，燃烧器中断时间间隔可在每个循环或每个燃烧器指令时被校准。

中断时间间隔T₃-T₄因此理想地是从T₂至T₃的耗用时间的函数。优选地，该函数是耗用时间的一个百分数。最佳地是，该函数在20％的临界值是最优化的。

可替代地是，中断时间间隔可通过温度测量值进行控制，在该温度测量值下，排出温度T_p等于25减去以秒为单位的耗用时间的平方根。T_p是以°F为单位进行测量的。最小T_p大于或等于零。

作为第三种选择，一旦回风扇关掉温度已经被记录下来，一个温度余量(margin)可被加到回风扇关掉温度上，温度余量和回风扇关掉温度的和是中断时间间隔终止温度。

因此，如果输出空气温度在中断时间间隔过程中低于中断时间间隔终止温度，本发明将结束中断时间间隔。

图2显示了如何将本发明的控制箱62接入典型的炉子燃烧器电路中。60Hz的电源66通过高压(hot)导线72、以及主炉子开关74供电，在主炉子开关74的转换侧连接到黑色导线76上，黑色导线76连接到控制箱62上并向其提供高压电力。

白色导线78和白色/黄色导线80在连接处68连接在动力中性线上。在自动调温器36的黑色导线76的另一侧，导线38被断开并连接到黄色导线82上，它作为红色导线84从黄色导线返回并连接到导线40上，并通过燃烧器保险装置86连接到燃烧器24上。

图3显示了控制箱62内的电路。电力在高压侧通过黑色导线76来供给，而在中性侧通过白色导线78来供给。它们在变压器88处被转换并通过环状二极管90被整流，在这里它们通过电力调节元件91、92和93被传送到输出端在位置96和98作为控制箱电源，位置96是+5V，而位置98是接地的。处理器100优选地是一个微处理器，在这种情况下是16C556，但也可以是任何功能相同的等价物，它接受来自温度传感器64的输入信号。白色/黄色导线80提供230、115或24V的电源给隔离器102，隔离器102提供一个能够发出宽范围电压输入信号的传感器，以处理常常使用在自动调温器上的许多不同电压。通常这是变化的，使得电压位于12V和240V之间。开关电路104对微处理器100的命令作出反应，如上所述，以接通或切断在自动调温器的转换电源黄色导线82和红色导线84之间的连接。

Claims (21)

1、一种用于调节通风加热系统中的循环的方法，该通风加热系统具有一个燃烧器、一个热交换器和一个回风扇，所述方法包括如下步骤：

多次测量从热交换器排出的空气的温度；

在燃烧器接通之后观测多次测量的温度测量值；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时多次测量中的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；以及

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔；

所述中断时间间隔不足以使热交换器的温度降到一个有用值之下。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，中断时间间隔是通过如下步骤来确定的：

记录一个第一起始时间；

记录一个第一停止时间；以及

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

所述中断时间间隔是从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间的一个函数。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一起始时间在燃烧器接通之时或在燃烧器接通之后。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，第一起始时间在回风扇接通之时。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上不同于两个连续温度测量值时：

进一步观测多次测量的温度测量值；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时多次测量中的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录一个第一停止时间；

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔；

所述中断时间间隔是从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间的一个函数。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在中断时间间隔之后，进一步包括如下步骤：

在燃烧器接通的一个新的时间之时，记录一个新的第一起始时间；

当多次测量的新的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个新的确认时间间隔；

观测在新的确认时间间隔结束时多次测量中的一个新的温度测量值；

如果在新的确认时间间隔结束时的新的温度测量值基本上与新的两个连续温度测量值相同时：

记录一个新的第一停止时间；

确定从新的第一起始时间到新的第一停止时间的新的耗用时间；

记录所述相同的新的温度测量值作为一个新的稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段新的中断时间间隔；

所述新的中断时间间隔是从新的第一起始时间到新的第一停止时间的新的耗用时间的一个函数。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上不同于两个连续温度测量值时：

进一步观测多次测量的温度测量值；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时多次测量中的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录一个第一停止时间；

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔；

所述中断时间间隔是从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间的一个函数。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该函数是耗用时间的一个百分数。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，该百分数在大体上为20％时最优化。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该函数是一个从耗用时间得出的温度值。

11、如权利要求11所述的方法，其特征在于，温度值优选地为：

0≤T_p＝25-L_t ^1/2

其中：T_p是以华氏度为单位的优选温度值；以及

L_t是以秒为单位的耗用时间。

12、如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

确定一个回风扇在该温度下关掉的空气输出温度，以确定一个回风扇关掉温度；

记录所述回风扇关掉温度；

将一个温度余量加到回风扇关掉温度上，其总和是一个中断时间间隔终止温度。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，如果输出空气温度在中断时间间隔过程中低于中断时间间隔终止温度，就结束中断时间间隔。

14、一种用于调节通风加热系统中的燃烧器运行循环的装置，所述装置包括：

用于检测从热交换器输出的空气的温度的传感器装置；

电子电路装置，该电子电路装置用于：

在燃烧器接通时，记录一个第一起始时间；

监测传感器装置；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录一个第一停止时间；

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔。

15、一种通风加热系统，该通风加热系统具有：

一个燃烧器；

一个热交换器；

一个热交换器空气输出装置；

一个空间能量值传感器；

一个热交换器能量值传感器；

一个循环空气泵；

其改进包括：

用于检测从热交换器输出的空气的温度的传感器装置；

电子电路装置，该电子电路装置用于：

在燃烧器接通时，记录一个第一起始时间；

监测传感器装置；

当多次测量的两个连续温度测量值基本上相同时，开始一个确认时间间隔；

观测在确认时间间隔结束时的一个温度测量值；

如果在确认时间间隔结束时的温度测量值基本上与两个连续温度测量值相同时：

记录一个第一停止时间；

确定从第一起始时间到第一停止时间的耗用时间；

记录所述相同温度测量值作为一个稳定状态温度；

中断燃烧器的燃烧一段中断时间间隔。

16、如权利要求15所述的加热系统，其特征在于，所述改进用作一种装置，该装置用于减少由空间能量值传感器发出指令的每个期间的燃烧器运行时间，从而减少燃料的使用。

17、如权利要求15所述的加热系统，该加热系统进一步具有由用于从空间能量值传感器进行传导的装置控制的燃烧器，其改进包括：

用于检测来自空间能量值传感器的信号的装置；以及

一个在传导装置中由电子电路装置控制的开关断路器。

18、如权利要求15所述的加热系统，其特征在于，信号检测装置是一个具有宽电压输入范围的装置。

19、如权利要求18所述的加热系统，其特征在于，宽电压输入范围位于24VAC和240VAC之间。

20、如权利要求19所述的加热系统，其特征在于，信号检测装置包括一个光隔离器。

21、如权利要求15所述的加热系统，其特征在于，电子电路装置包括一个微处理器。

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