CZ293688B6

CZ293688B6 - Způsob regulace výtokové teploty Ts kapaliny z ohřívacího prostoru a zařízení pro jeho provádění

Info

Publication number: CZ293688B6
Application number: CZ19981813A
Authority: CZ
Inventors: Philippe Pontiggia
Original assignee: Gaz De France
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2004-07-14
Also published as: HU221671B1; ATE208881T1; HUP9801314A3; CZ181398A3; EP0884532B1; DE69802468D1; HU9801314D0; SK77898A3; ES2167849T3; PT884532E; FR2764674A1; DE69802468T2; EP0884532A1; HUP9801314A2; FR2764674B1; DK0884532T3

Abstract

Způsob regulace výtokové teploty Ts kapaliny z ohřívacího prostoru, která do ohřívacího prostoru vstoupila při vstupní teplotě Tef nižší než je výtoková teplota Ts nebo rovné výtokové teplotě Ts, aby se tato výtoková teplota Ts přizpůsobila prostřednictvím hořáku (5) uzpůsobeného k tomu, aby v klidovém stavu měl nulový výkon P nebo aby měl v zapáleném stavu výkon P mezi nenulovým minimálním výkonem Pmin a maximálním výkonem Pmax vyšším než je uvedený minimální výkon Pmin, spočívá v tom, že kapalina vystupuje z ohřívacího prostoru (3) s nenulovým čerpaným průtokem Q kapaliny, v závislosti na němž se mění výkon P hořáku (5), přičemž hořák (5) pracuje buď v plynulém režimu nebo v přerušovaném režimu v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny. Čerpaný průtok Q kapaliny je určen výpočtem v závislosti na referenční teplotě, jako je vstupní teplota Tef, nejméně jedné naměřené teplotě, jako je výtoková teplota Ts, a provozním údaji hořáku (5), jako je průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku (5). Zařízení pro provádění způsobu obsahuje ovládací ústrojí (9) hořáku (5), spojené s regulačním prostředkem (10) pro přizpůsobování výkonu P hořáku (5) v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny, a to v přerušovaném režimu s téměř okamžitou výchylkou výkonu P v čase t, nebo v plynulém režimu s progresivní a plynulou výchylkou výkonu P v čase t. Podstata spočívá v tom, že obsahuje prostředky pro výpočet průtoku Q kapaliny na základě referenční teploty, jako vstupní teploty Tef, nejméně jedné naměřené teploty, jako je výtoková teplota Ts, a provozního údaje hořáku (5), jako je průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku (5).ŕ

Description

(57) Anotace:

Způsob regulace výtokovéteploty Ts kapaliny z ohřívacího prostoru, která do ohřívacího prostoru vstoupila při vstupní teplotě Tef nižší než je výtoková teplota Ts nebo rovné výtokové teplotě Ts, aby se tato výtoková teplota Ts přizpůsobila prostřednictvím hořáku (5) uzpůsobeného k tomu, aby v klidovém stavu měl nulový výkon P nebo aby měl v zapáleném stavu výkon P mezi nenulovým minimálním výkonem Pmin a maximálním výkonem Pmax vyšším než je uvedený minimální výkon Pmin, spočívá v tom, že kapalina vystupuje z ohřívacího prostoru (3) s nenulovým čerpaným průtokem Q kapaliny, v závislosti na němž se mění výkon P hořáku (5), přičemž hořák (5) pracuje buď v plynulém režimu nebo v přerušovaném režimu v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny. Čerpaný průtok Q kapaliny je určen výpočtem v závislosti na referenční teplotě, jako je vstupní teplota Tef, nejméně jedné naměřené teplotě, jako je výtoková teplota Ts, a provozním údaji hořáku (5), jako je průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku (5). Zařízení pro provádění způsobu obsahuje ovládací ústrojí (9) hořáku (5), spojené s regulačním prostředkem (10) pro přizpůsobování výkonu P hořáku (5) v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny, a to v přerušovaném režimu s téměř okamžitou výchylkou výkonu P v čase t, nebo v plynulém režimu s progresivní a plynulou výchylkou výkonu P v čase t. Podstata spočívá v tom, že obsahuje prostředky pro výpočet průtoku Q kapaliny na základě referenční teploty, jako vstupní teploty Tef, nejméně jedné naměřené teploty, jako je výtoková teplota Ts, a provozního údaje hořáku (5), jako je průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku (5).

Způsob regulace výtokové teploty Ts kapaliny z ohřívacího prostoru a zařízení pro jeho provádění

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu regulace výtokové teploty Ts kapaliny z ohřívacího prostoru, která do ohřívacího prostoru vstoupila při vstupní teplotě Tef nižší než je výtoková teplota Ts nebo rovné výtokové teplotě Ts, aby se tato výtoková teplota Ts přizpůsobila prostřednictvím hořáku uzpůsobeného k tomu, aby v klidovém stavu měl nulový výkon P nebo by měl v zapáleném stavu výkon P mezi nenulovým minimálním výkonem Pmin a maximálním výtokem Pmax vyšším než je uvedený minimální výkon Pmin, přičemž kapalina vystupuje z ohřívacího prostoru s nenulovým čerpaným průtokem Q kapaliny, v závislosti na kterém se vyvolává měnění výkonu P hořáku, přičemž hořák pracuje buď v plynném režimu nebo v přerušovaném režimu v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny. Dále se vynález týká zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

V zařízeních podle stavu techniky je problémem, který se často vyskytuje při okamžité výrobě teplé užitkové vody, nemožnost, aby hořák ohřívače vody nebo kotle prováděl správně ohřev tak, aby se získaly malé průtoky Q horké vody (v typickém případě okolo 5 až 7 litrů za minutu). To zčásti vyplývá z vysoké hodnoty minimálního výkonu Pmin, který může poskytnout hořák. Z toho vyplývá, že tento typ hořáku pracuje ve dvou funkčních režimech při malých čerpacích výkonech. Jedním z funkčních režimů je, že se hořák zapálí a uvede se na minimální výkon Pmin. Pracuje potom při pevném výkonu P a výstupní teplota kapaliny se bude zvyšovat tím více, čím nižší bude čerpací výkon Q kapaliny. Výstupní teplota vody může vystoupit na velmi vysoké hodnoty (vyšší než 90 °C) a vyvolat opaření. Jiným z funkčních režimů je, že se nezapálí (hoří pouze věčný plamínek, pokud existuje), aby nedošlo k přehřívání teplé vody, procházející ohřívacím prostorem. V takovém případě se však pod určitým průtokem Q kapaliny, nazývaným prahový průtok Q ohřívané vody a odpovídající výkonu P hořáku, v podstatě rovnému minimálnímu výkonu Pmin, nezíská teplá voda.

Určité případy použití (holení, mytí rukou nebo potravin) vyžadují malé průtoky Q kapaliny na výstupu z výtokového ventilu (kohoutku) s „vlažnými“ teplotami, tj. v rozmezí od 25 do 45 °C.

Jedním z řešení je, že se hořák nechá pracovat pro malé průtoky Q kapaliny s malým výkonem P. Při malém výkonu P však vznikají problémy se stabilitou plamene a kvalitou spalování (riziko znečišťování ovzduší, popřípadě se zanášením hořáků; ztráta účinnosti) a vzájemným zapalováním sad hořáků hořákového ústrojí. Atmosférické hořáky tedy mají nutné minimální úroveň výkonu P, když jsou jednou zapáleny, a tato minimální úroveň je příliš vysoká pro malé čerpané průtoky Q kapaliny.

Jiné řešení je spojení ohřívače vody nebo kotle se směšovací baterií, která by měla umožnit, po jejím nastavení tak, že udává nastavenou teplotu, dodávání vody v podstatě na této teplotě.

V tomto případě se regulace teploty vody provádí, kromě eventuální regulace ovládání výkonu P hořáku, přímo ve směšovací baterii přidáváním nebo naopak škrcením přívodu studené vody k proudu teplé vody, a směšovací baterie slouží pouze k regulaci výtoku kapaliny. Toto řešení se však málo hodí pro malé čerpané průtoky Q kapaliny, je poměrně choulostivé (používá prvky, které jsou stále v pohybu, pro přizpůsobování průtoků Q teplé vody pocházející z kotle a studené vody) a vyžaduje téměř konstantní přizpůsobování realizované uvnitř samotného výtokového ventilu) mezi průtoky Q teplé a studené vody.

Toto druhé řešení je také poměrně nákladné, a to jednak z důvodu nákladů na samotnou směšovací baterii, připojenou k přívodu teplo vody z ohřívače a případně k přívodu studené vody,

-1 CZ 293688 B6 napájecímu ohřívač. Toto provedení také neřeší problém výkonu P hořáku před směšovací baterií, který v každém případě zůstane větší nebo stejně velký jako minimální výkon Pmin bez ohledu na průtok Q kapaliny na výtoku. U malých průtoků Q kapaliny může dojít ke „smyčkovému“ jevu. Vody vystupující z ohřívacího prostoru je v tomto případě příliš horká, neboť výkon P hořáku je příliš vysoký (i když je minimální), směšovací baterie přidává studenou vodu, což vede ke zvyšování čerpaného průtoku Q kapaliny na výstupu z výtokového ventilu, přičemž toto není žádoucí ze strany uživatele a je zdrojem plýtvání vodou.

Vynález si klade za úkol vyřešit alespoň zčásti výše uvedené nevýhody a navrhnout jednoduché, účinné a málo nákladné řešení, přizpůsobitelné pro řadu typů ohřívacích zařízení pro kapaliny, opatřených plynovým hořákem, jako je ohřívač vody nebo kotel.

Podstata vynálezu

Vynález přináší způsob regulace výtokové teploty Ts kapaliny z ohřívacího prostoru, která do ohřívacího prostoru vystoupila při vstupní teplotě Tef nižší než je výtoková teplota Ts nebo rovné výtokové teplotě Ts, aby se tato výtoková teplota Ts přizpůsobila prostřednictvím hořáku uzpůsobeného k tomu, aby v klidovém stavu měl nulový výkon P nebo aby měl v zapálením stavu výkon P mezi nenulovým minimálním výkonem Pmin a maximálním výkonem Pmax vyšším než je uvedený minimální výkon Pmin, přičemž kapalina vystupuje z ohřívacího prostoru s nenulovým čerpaným průtokem Q kapaliny, v závislosti na kterém se vyvolává měření výkonu P hořáku, přičemž hořák pracuje buď v plynulém režimu nebo v přerušovaném režimu v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny, přičemž podle vynálezu je čerpaný průtok Q kapaliny určen výpočtem v závislosti na referenčním teplotě, jako je vstupní teplota Tef, na nejméně jedné naměřené teplotě, jako je výtoková teplota Ts, a provozním údaji hořáku, jako je průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku.

Hořák bude přecházet z jednoho funkčního režimu do druhého funkčního režimu na základě porovnávání mezi čerpaným průtokem Q kapaliny a prahovým průtokem Qs kapaliny, jemuž odpovídá minimální výkon Pmin hořáku.

Bude tak existovat dobře vymezená mez mezi dvěma funkčními režimy hořáku, přičemž tato mezi bude odpovídat výchozím pevně stanoveným podmínkám v závislosti na čistotě technických znacích hořáku, majícího minimální výkon Pmin a reálné podmínky použití (hodnota čerpaného průtoku Q kapaliny vzhledem k prahovému průtoku Qs kapaliny.

Řešení umožňuje, že není třeba používat nákladné a choulostivé mechanické zařízení pro určování čerpaného průtoku Q kapaliny, jako je průtokoměr se šroubovicovým prostředkem nebo turbínový průtokoměr.

Způsob používá vnitřní vypočítaná data (funkce typu „pozorovatele průtoku“) nebo získaná přímo pomocí čidla pro určení dat (aktuálního čerpaného průtoku Q kapaliny), která budou sloužit jako základ pro přechod na funkci hořáku buď v plynulém režimu nebo v přerušovaném režimu, přičemž výkon P hořáku je přizpůsoben v závislosti ne čerpaném průtoku Q kapaliny. Rozumí se, že průtok Qgaz plynu v hořáku může být nahrazen jakýmkoli vnitřním údajem hořáku závislém na tomto průtoku Qgaz plynu, jako je například výkon Pgaz plynu přiváděného do hořáku (s Pgaz = Pci * Qgaz, kde Pci je výhřevnost plynu), otevření ventilu na přívodu plynu, tlak plynu na vstupní a výstupní straně ventilu, nebo i součinitel ztráty tlaku tohoto ventilu.

Čerpaný průtok Q kapaliny je podle dalšího znaku vynálezu definován dynamicky pomocí následujícího vztahu:

Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Mégu * Cp * (dTs/dt))]/[Cp * (Ts - Tef)],

-2CZ 293688 B6 kde n je účinnost hořáku,

Pci je výhřevnost plynu a W.h/m³,

Qgaz je objemový průtok plynu, v m³/h, přiváděného k hořáku, Méqu je součinitel představující tepelnou setrvačnost ohřívacího prostoru,

Cp je tepelná kapacita kapaliny v J/kg/K (4180 pro vodu), dTs/dt je změna (derivace) výtokové teploty Ts kapaliny na výstupu z ohřívacího prostoru v čase t,a

Tef je vstupní teplota kapaliny do ohřívacího prostoru.

Tento vzorec dovoluje trvale se přizpůsobovat podmínkám čerpání, neboť určení tohoto průtoku Q kapaliny je tak zvané „dynamické“. Bere v úvahu nejen výchylku teploty kapaliny mezi vstupem a výstupem ohřívacího prostoru, ale také míry změny výstupní teploty z ohřívacího prostoru, tj. výchylek této výtokové (výstupní) teploty. Výpočet tak dovoluje získat průtok Q kapaliny, který je blíže skutečnosti, což samozřejmě dovoluje přesněji vypočítat požadovaný výkon P hořáku, odpovídající této výtokové teplotě. Toto řešení dovoluje také zbavit se nákladných měření průtoku Q kapaliny, protože využívá znalost chování zařízení a hořáku, zejména pro odvozování čerpaného průtoku Q kapaliny.

Podle dalšího znaku se po celou dobu, po kterou je čerpaný průtok Q kapaliny, kterému odpovídá určitý výkon Pdem požadovaný od hořáku, nižší než je prahový průtok Qs kapaliny, kterému odpovídá minimální výkon Pmin hořáku, nechává hořák pracovat v přerušovaném režimu, s výkonem P, který se mění střídavě mezi uvedeným nulovým výkonem P a výkonem P větším než je minimální výkon Pmin hořáku nebo rovným minimálnímu výkonu Pmin hořáku,takže se po tuto dobu získá výsledný střední výkon Pmoy nižší než je minimální výkon Pmin hořáku a odpovídající požadovanému výkonu Pdem.

Toto řešení dovoluje optimalizovat regulaci teploty kapaliny při malých čerpaných průtocích Q kapaliny, tj. při průtoku Q kapaliny nižší než je prahový průtok Qs kapaliny. V zařízeních podle stavu techniky je minimální výkon Pmin často příliš vysoký při čerpaném průtoku Q kapaliny nižším, než je prahový průtok Qs kapaliny. Při tomto řešení bude výkon P, poskytovaný hořákem, vždy přizpůsobený čerpanému průtoku Q kapaliny, neboť bude v podstatě rovný požadovanému výkon P (který odpovídá čerpanému průtoku Q kapaliny). Když budou požadovány malé průtoky Q kapaliny, bude tak teplota kapaliny regulována na hodnotu, aby nebyla příliš vzdálená od nastavené hodnoty, což vylučuje, aby voda byla příliš horká nebo studená. Střídavá funkce mezi nulovým výkonem P a výkonem P větším než minimální výkon Pmin nebo rovným minimálnímu výkonu Pmin, dovoluje při správném přizpůsobování doby, po kterou je hořák zhasnutý a poté zapálený, dosáhnout výsledný výkon P, dokonale přizpůsobený čerpanému průtoku Q kapaliny. Navíc je tento tak zvaný „přerušovaný“ režim nebo „postupný chod“ snadno přizpůsobitelný každému typu hořáku pracujícímu s plynovou směsí.

Podle dalšího znaku vynálezu se během této doby omezuje výchylka výkonu P hořáku mezi jeho nulovým výkonem P a minimálním výkonem P. Po celou dobu trvání, po kterou bude čerpaný průtok Q kapaliny nižší, než prahový průtok Qs kapaliny (který odpovídá minimálnímu výkonu Pmin), bude výsledný střední výkon P dokonale přizpůsobený tomuto čerpanému průtoku Q kapaliny. Navíc se odstraní nutnost nechat fungovat hořák s příliš vysokým výkonem P, který značně spotřebovává plyn a vyvolává příliš náhlé zvýšení teploty kapaliny. Toto řešení tedy dovoluje minimalizovat výchylky teploty kapaliny vzhledem k nastavení teplotě při současném snížení spotřeby plynu v hořáku. Výchylky výkonu P hořáku tedy budou co nejmenší pro to, aby co nejlépe odpovídaly uvažovaným podmínkám čerpaného průtoku Q kapaliny.

Když je čerpaný průtok Q kapaliny, jemuž odpovídá určitý výkon Pdem požadovaný na hořáku, větší nebo rovný prahovému průtoku Qs kapaliny, jemuž odpovídá určitý minimální výkon Pmin a který se mění plynule a progresivně v čase t v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny.

Tento funkční režim, nazývaný „plynulý režim“, bude tedy obzvláště dobře přizpůsobený jakémukoli čerpanému průtoku Q kapaliny, vyššímu než je prahový průtok Qs kapaliny nebo rovný prahovému průtoku Qs kapaliny, a výkon P hořáku bude moci být regulován v závislosti na kolísání průtoku Q kapaliny, který zůstane v tomto případě vždy větší než prahový průtok Qs kapaliny nebo rovný prahovému průtoku Qs kapliny.

Od okamžiku, kdy kapalina začne téci, tak bude výkon P hořáku vždy přizpůsobený průtoku Q kapaliny, aby byl nízký a nižší, než prahový průtok Qs kapaliny (přechod do přerušovaného režimu) nebo vysoký a vyšší než prahový průtok Qs kapaliny (přechod do plynulého režimu). Tento způsob je tedy použitelný ve všech typech uspořádání, jakých lze použít ve vztahu zejména k ohřívači vody nebo kotli.

Vynález dále přináší zařízení pro provádění výše uvedeného způsobu, obsahující ovládací ústrojí hořáku, spojené s regulačním prostředkem pro přizpůsobování výkonu P hořáku v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny, a to v přerušovaném režimu s téměř okamžitou výchylkou výkonu P v čase t, nebo vplynutém režimu s progresivní a plynulou výchylkou výkonu P v čase t, přičemž podstata řešení spočívá v tom, že zařízení obsahuje prostředky pro výpočet průtok Q kapaliny na základě referenční teploty, jako vstupní teploty Tef, nejméně jedné naměřené teploty, jako je výtoková teplota Ts, a provozního údaje hořáku, jako je průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku.

Jsou tak navrženy dva funkční režimy, z nichž každý je obzvláště přizpůsobený podmínkám v zařízení.

Aby bylo možné vypustit nákladné a choulostivé mechanické prostředky pro měření průtoku Q kapaliny, jako jsou průtokoměiy se šroubovicovým členem nebo turbínou, obsahuje zařízení dále počítací prostředek umožňující porovnávat čerpaný průtok Q kapaliny, vypočítaný s pevně nastaveným prahovým průtokem Qs kapaliny pro to, aby regulační prostředek přizpůsoboval výkon P hořáku v závislosti na hodnotě čerpaného průtoku Q kapaliny, vypočítaného vzhledem k prahovému průtoku Qs kapaliny.

Aby se zabránilo, že na základě výpočtu průtoku Q kapaliny výsledek dospěje k nekoherentní hodnotě (záporný průtok) nebo k hodnotě neslučitelné s dobrou funkcí zařízení (průtok vyšší, než je kapalina zařízení), je počítací prostředek s výhodou spouštěn při zapalování pomocí hodnoty průtoku Q kapaliny větší než nula nebo rovné nule, a je saturován při hodnotě maximálního průtoku Q kapaliny, například 20 litrů za minutu. Podle vynálezu je tak počítací prostředek nastaven na spouštění při zapálení s hodnotou průtoku Q kapalin větší než nula nebo rovnou nule, a na saturování při hodnotě maximálního průtoku Q kapaliny, například 20 litrů za minutu. Je tak dosaženo toho, že i když výpočet průtoku Q kapaliny povede z důvodů spojených s reálnými podmínkami použití k nevyužitelnému výsledku, bude regulační prostředek moci stejně fungovat pomocí svých vlastních referenčních hodnot (spouštěcí průtok Q kapaliny a maximální průtok Q kapaliny).

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, na kterých znázorňuje obr. 1 graf závislosti teploty Ts na výtoku na čerpaném průtoku Q kapaliny v zařízení podle stavu techniky, v němž se hořák zapaluje a tlumí se na jeho minimální výkon Pmin, obr. 2 schéma zařízení podle vynálezu, obr. 3 vývojový diagram regulačního algoritmu podle vynálezu, obr. 4 graf závislosti výkonu P ve stabilizovaném režimu hořáku na čerpaném průtoku Q kapaliny pro průtok Q kapaliny větší než prahová hodnota nebo rovné prahové hodnotě a obr. 5 a 6 grafické znázornění výchylky výkonu P hořáku v závislosti na čase t pro čerpaný průtok Q kapaliny menší než je prahová hodnota.

-4CZ 293688 B6

V celém popisu bude uvažovaná kapalina voda, s výhodou pitná voda, použitelná zejména jako teplá užitková voda.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje problém, jehož řešení si klade vynález za úkol vyřešit. Na obrázku je patrná křivka C, přičemž na vodorovné ose je vynesen čerpaný průtok Q kapaliny (v typickém případě teplé užitkové vody) v litrech za minutu a na svislé ose výtoková teplota Ts kapaliny z ohřívacího prostoru (3), v typickém případě teplota vody na výtoku zvýtokového ventilu, přičemž je pro zjednodušení zanedbána výchylka teploty, vyplývající z proudění vody v potrubí mezi prostorem (3), v němž je ohřívána, a výtokovým ventilem, z něhož vytéká pro použití.

Jak je patrné, při malých čerpaných průtocích Q kapaliny (v rozmezí 5 až 7 1/min.) stoupá se snižujícím se průtokem Q kapaliny výtoková teplota Ts kapaliny. Tato hodnota může dosáhnout hodnoty 120 °C pro průtok Q kapaliny v podstatě rovný 1 1/min., což je pro normální použití teplé užitkové vody, jako je mytí rukou nebo holení, mimořádně vysoká hodnota, protože je známá, že člověk průměrně snese na určitých částech těla, jako jsou ruce, teplotu vody v rozmezí od 35 do 50 °C. Z grafu je patrné, že pro to, aby teplota poklesla pod tuto hodnotu, je třeba dosáhnout průtok Q kapaliny okolo 3 litrů za minutu. Takový průtok Q kapaliny je málo slučitelný s použitím, který je krátké a/nebo vyžaduje málo vody (namočení houby, opláchnutí skleničky nebo holicího strojku). Musí-li uživatel otevřít kohoutek poněkud více, aby zvýšil průtok Q kapaliny za účelem snížení teploty Ts, bude nucen spotřebovat mnohem více vody, než kolik skutečně potřebuje, což je nákladné, zbytečné a málo příjemné pro použití. Z dalšího popisuje je patrné, že význam vynálezu spočívá v možnosti dosažení výtokové teploty Ts, která je blízká nastavené teplotě Ts (teplotě, jakou si uživatel přeje dosáhnout), zejména pro malé průtoky Q kapaliny.

Obr. 2 znázorňuje schéma zařízení 1 pro ohřev kapaliny. Zařízení £, které může být například ohřívač vody nebo kotel, obsahuje ohřívací prostor 3, v němž ohřívaná kapalina cirkuluje nebo stojí podle hodnoty čerpaného průtoku Q kapaliny (kladného nebo nulového). Tento ohřívací prostor 3 je ohříván hořákem 5, napájeným s výhodou plynovou směsí, nebo také topným olejem nebo jinou směsí paliva a látky podporující hořené. Z hořáku 5 vychází nejméně jeden plamen 7, který se dostává buď přímo do styku s ohřívacím prostorem 3 nebo končí těsně pod ním. Na přívodu plynové směsi do hořáku 5 je osazeno ovládací ústrojí 9 ventilového typu, umožňující měnit požadovaný výkon Pdem v závislosti zejména na čerpaném průtoku Q kapaliny, a to na základě poznatku, že tento výkon Pdem odpovídá výkonu P potřebnému pro ohřev při průtoku Q litrů vody za minutu z teploty studené vody (vstupní teploty Tef) směrem k požadované nastavené teplotě Tcons. V praxi je možné určit hodnotu výkonu Pdem následovně:

Pdem = Q/60 * Cp * (Tcons - Tef) kde Q je průtok kapaliny v litrech za minutu,

Cp je tepelná kapacita kapaliny, která je 4180 J/kg/K pro vodu a

Tcons je nastavená teplota (nebo požadovaná teplota) v K (Kelvinech), a

Tef je vstupní teploty kapaliny do ohřívacího prostoru 3 v K (Kelvinech).

Ovládací ústrojí 9 se ovládá pomocí regulačního prostředku 10, spojeného se dvěma teplotními čidly 11, 12 známého typ (rtuťovými, s termočlánkem, lamelovými, nebo s termistorem), měřícími vstupní teplotu Tef kapaliny (studené vody) do ohřívacího prostoru 3 (která může být uvažována v určitých případech jako referenční teplota, uvažuje-li se teplota vody dodávané vodovodním roztokem jako v podstatě konstantní teplota, přičemž v takovém případě by nebylo zapotřebí čidlo 11) a výtokovou teplotu Ts stejné kapaliny po průchodu ohřívacím prostorem 3.

V případě použití teplotních čidel 11, 12 pro zjištění průtoku Q kapaliny (v litrech za minutu) je

-5 CZ 293688 B6 možné toto provést zejména na základě následujícího vztahu pomocí počítače vřazeného do regulačního prostředku 10:

Q = k * Qgaz/(Ts-Tef) kde k = n * Pci/Cp, kde n je účinnost zařízení 1,

Pci je výhřevnost plynu v W.h/m³,

Qgaz je průtok plynu přiváděného do hořáku 5 v m³/h,

Cp je tepelná kapalina vody 4180 J/kg/K pro vodu a

Ts a Tef jsou teploty kapaliny na výtoku a na přívodu do ohřívacího prostoru 3 v Kelvinech.

Rozumí se, že průtok Qgaz plynu přiváděného do hořáku 5 může být nahrazen jakýmkoli jiným vnitřním údajem pro hořák 5 a závisejícím na tomto průtoku Qgaz plynu, jako je například výkon Pgaz plynu přiváděného do hořáku 5 (s Pgaz = Pci * Qgaz, kde Pi je výhřevnost plynu), otevření ovládacího ventilu na přívodu plynu, tlak plynu před nebo za ventilem nebo ztráta plynu v tomto ventilu.

Aby se dosáhla větší jemnost měření tohoto průtoku Q kapaliny, při použití údajů, jaké jsou k dispozici (naměřených nebo vypočítaných), bude však výhodnější použít následující vzorec dynamického výpočtu:

Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))]/[Cp * (Ts - Tef)], kde n je účinnost hořáku 5,

Pci je výhřevnost plynu v W.h/m³,

Qgaz je objemový průtok přiváděného plynu v m³/h,

Méqu je součinitel představující tepelnou setrvačnost ohřívacího prostoru 3,

Cp je tepelná kapacita kapaliny v J/kg/K (4180 pro vodu) a dTs/dt je změna výtokové teploty (derivace) kapaliny na výstupu z ohřívacího prostoru 3.

Tato matematická rovnice prvního řádu, určená pomocí počítacího prostředku vraženého do regulačního prostředku 10, má výhodu v tom, že bere na zřetel změnu výtokové teploty Ts v závislosti na čase t kromě změny výstupní teploty Ts vzhledem ke vstupní teplotě Tef, což dovoluje zpřesnit měření a získat optimalizovaný model chování zařízení 1, kromě odstranění potřeby použití nákladných a křehkých mechanických součástek typu průtokoměru, které jsou nahrazeny jednoduchými teplotními činidly 11, 12, a počítacím prostředkem.

Aby se zabránilo tomu, že výsledek tohoto výpočtu bude nekoherentní (záporný průtok nebo vyšší průtok, než jsou teoretické průtokové kapacity zařízení), bude počítací prostředek regulačního prostředku 10 zařízení 1 podle vynálezu, který může být, aniž by šlo o vyčerpávající příklady, elektronický obvod typu mikroprocesoru, DSP nebo mikrořadič, spouštěn při zapálení s kladnou nebo nulovou hodnotou a bude saturován při hodnotě maximálního průtoku Q kapaliny, slučitelné s kapacitami zařízení £, například 20 1/min.

Jakmile je jednou určen čerpaný průtok Q kapaliny, může zařízení 1 podle obr. 2 pracovat ve dvou různých režimech tohoto průtoku Q kapaliny nazývaných „přerušovaný režim“ a „plynulý režim“, jak je znázorněno na vývojovém diagramu na obr. 3 a na obr. 4 až 6. Přechod mezi dvěma režimy může být realizován pomocí dvoustabilního relé s hysterezí známého typu, vraženého do regulačního prostředku 10. Pro vysvětlení obr. 4 až 7 je vhodné stanovit určité vztahy mezi jednotlivými použitými proměnnými.

-6CZ 293688 B6

Každý průtok Q kapaliny především odpovídá požadovanému výkonu hořáku 5 Pdem, určenému například pomocí výše uvedeného vzorce:

Pdem = Q/C * (Tcons - Tef)

Určitému průtoku Q kapaliny, nazývanému „prahový průtok“ a označenému Qs, odpovídá výkon P nazývaný „minimální výkon“, označený jako minimální výkon Pmin.

Je-li průtok Q kapaliny větší nebo rovný prahovému průtoku Qs kapaliny (určenému měřením a pevnému pro konstrukci), tj. je-li požadovaný výkon Pdem, odvozený od čerpaného průtoku Q teplé užitkové vody, větší nebo rovný minimálnímu výkonu Pmin hořáku 5, hořáku 5 pracuje normálně tj. v „plynulém režimu“ režimu v čase t a progresivně, viz obr. 4, pro poskytování vody o výtokové teplotě Ts v podstatě rovné nastavené teplotě Tcons. Pomocí známého obvodu proporcionálně integračně derivačního typu, vřazeného do regulačního prostředku 10, pracuje regulační prostředek 10 plynule se zpětnou vazbou a umožňuje měnit výkon P hořáku 5 plynule a progresivně v čase t (s výhodou bez prodlevy) mezi výkony Pmin a Pmax v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny. Obr. 4 znázorňuje tento funkční režim. Na obr. 4 je znázorněna křivka D ukazující změnu výkonu P v závislosti na čerpaném průtoku Q kapaliny. Obrázek ukazuje, že když je čerpaný průtok Q kapaliny v podstatě rovný prahovému průtoku Qs kapaliny, je výkon P v podstatě rovný minimálnímu výkonu Pmin hořáku 5. Jakmile je prahový průtok Qs kapaliny překročen, mění se výkon P hořáku 5 plynule a progresivně v čase t podle křivky D.

Jiný funkční režim, zajímavější z hlediska funkce vynálezu, je režim nazývaný „přerušovaný“. Tento režim se spouští regulačním prostředkem 10, když je průtok Q kapaliny nižší než prahový průtok Qs kapaliny tj. když je požadovaný výkon Pdem nižší, než je minimální výkon Pmin hořáku 5. V tomto případě obsahuje regulační prostředek 10 přerušovač známého typu, který ovládá ovládací ústrojí 9 tak, že střídavě otevírá a zavírá přívod plynové směsi do hořáku 5 a tedy ho nechává přecházet střídavě z nulového výkonu P na výkon P větší nebo rovný minimálnímu výkonu Pmin hořáku 5 a s výhodou rovný Pmin.

Tento funkční režim tak dovoluje dosáhnout po celou dobu, kdy je čerpaný průtok Q kapaliny nižší, než je prahový průtok Q kapaliny, střední výkon Pmoy (výkon vypočítaný součtem dvojných integrálů vyšrafovaných ploch křivky na obr. 5 a 6), nižší než je minimální výkon Pmin hořáku 5 a v podstatě rovný požadovanému výkonu Pdem. To pak vyvolává menší ohřev pro jakýkoliv čerpaný průtok Q kapaliny nižší než je prahový průtok Qs kapaliny.

Obr. 5 znázorňuje změnu výkonu P hořáku 5 v závislosti na čase t pro čerpaný průtok Q kapaliny (proměnlivý nebo proměnlivý v čase t), stále nižší, než je prahový průtok Qs kapaliny. Jak je patrné, mění se výkon P stupňovým nebo přerušovaným způsobem mezi nulovým výkonem P a výkonem P větším nebo rovným minimálnímu výkonu Pmin hořáku 5 (čárkovaná čára). Hodnota tohoto výkonu P větší než je minimální výkon Pmin nebo rovná minimálnímu výkonu Pmin, může být proměnlivá nebo neproměnlivá po celou dobu, co se průtok Q kapaliny nemění (přičemž zůstává pod prahovým průtokem Qs kapaliny).

S výhodou je tento výkon P větší než minimální výkon Pmin nebo rovný minimálnímu výkonu Pmin, shodný po celou dobu trvání, po kterou je konstantní, a zvyšuje se nebo snižuje v podstatě se změnou čerpaného průtoku Q kapaliny. Je však možné jiné řešení. Například je možné fixovat výkon P tak, že je vyšší nebo rovný minimálnímu výkonu Pmin, na určité hodnotě bez ohledu na průtok Q kapaliny (stále nižší než prahový průtok Qs kapaliny) a měnit doby, po které bude hořák 5 fungovat na tomto výkonu P, v závislosti na výchylce čerpaného průtoku Q kapaliny, jak je znázorněno na obr. 6. Bez ohledu na stanovený funkční režim během celé doby, po kterou je čerpaný průtok Q kapaliny nižší než prahový průtok Qs kapaliny, je výsledný střední výkon Pmoy, vypočítaný pomocí součtu dvojných integrálů šrafovaných oblastí z obr. 5, stále nižší, než

-7CZ 293688 B6 je minimální výkon Pmin a je v podstatě rovný požadovanému výkonu Pdem hořáku 5 pro uvažovaný čerpaný průtok Q kapaliny.

Tím, že se optimálním způsobem přizpůsobuje hořák 5 čerpanému průtoku Q kapaliny, je možné dosáhnout, stále během doby, kdy je kapalina čerpána s průtokem Q kapaliny nižším, než je prahový průtok Qs kapaliny, středního výkonu Pmoy o něco nižšího, než je minimální výkon Pmin. Stačí na delší dobu uzavřít napájení hořáku 5 a otevřít ho na velmi krátký okamžik na výkon P větší nebo rovný minimálnímu výkonu Pmin, aby se získal uvedený střední výkon Pmoy. Aniž by bylo třeba udat hodnotu, bude zřejmé, že vynález dovoluje získat výkon nižší, než je minimální výkon Pmin, i když hořák 5 teoreticky nemůže takový výkon P poskytnout z důvodů nezbytných podmínek spojených s kvalitou a stabilitou plemene nebo znečišťování ovzduší a popřípadě zanášení hořáků 5.

Obr. 6 znázorňuje variantu vůči obr. 5, ukazující změnu výkonu P v závislosti na čase t, a to stále pro čerpaný průtok Q kapaliny (proměnlivý nebo konstantní), nižší než prahový průtok Qs kapaliny. Je známé, že není třeba, aby se výtoková teplota Ts čerpané kapaliny měnila příliš výrazně okolo nastavené výtokové teploty Ts, neboť toto vytváří určitý nedostatek komfortu, k němuž jíž dochází u zařízení podle známého stavu techniky (značné kolísání teploty vody vyplývající ze špatné regulace). Nechá-li se totiž kolísat výkon P hořáku 5 mezi nulovým výkonem P a výkonem P, který je vyšší nebo rovný příliš velkému minimálnímu výkonu Pmin, riskuje se příliš silný ohřev kapaliny v určitých údobích. Je tedy třeba snížit výchylku výkonu P mezi nulovým výkonem P a výkonem P, který je větší nebo rovný minimálnímu výkonu P min, aby se snížily výchylky výtokové teploty Ts kapaliny.

Zvolí se tak měnění výkonu P hořáku 5 pouze mezi nulovým výkonem P a jeho minimálním výkone Pmin a měření čerpaného průtoku Q kapaliny (přičemž jeho hodnota stále zůstává pod prahovým průtokem Qs kapaliny). Zvyšuje-li se průtok Q kapaliny, stačí zvýšit doby, po které je hořák 5 zapálen na jeho minimální výkon Pmin (nebo zkrátit doby, po které je hořák 5 zhasnutý) a naopak je zkrátit, když se čerpaný průtok Q kapaliny snižuje. Pomocí stejného integračního výpočtu, jako v příchozím případě se tak získá výsledný střední výkon Pmoy, nižší než je minimální výkon Pmin, a v podstatě rovný požadovanému výkonu Pdem. Výhodou takového řešení je, že se vyloučí potřeba ohřívat kapalinu na zbytečně vysokou teplotu, což vyvolává ztráty energie a škodí funkci hořáku 5 (snižuje dlouhodobou spolehlivosti a zvyšuje hluk v důsledku vyššího přívodu plynové směsi).

V obou případech regulační prostředek 10 řídí v závislosti na kolísání výtokové teploty Ts vzhledem k nastavené výtokové teplotě Ts frekvenci přechodu z nulového výkonu P na výkon P, který je větší nebo rovný minimálnímu výkonu Pmin, jakož i doby po které zůstává hořák 5 na každém z těchto výkonů P, a to pomocí vřazeného přerušovače. Toto řízení dovoluje, jak je popsáno výše, se přizpůsobit výchylkám průtoku Q kapaliny v čase t.

Níže uvedená tabulka dobře ilustruje zajímavé výsledky, které se dají získat způsobem podle vynálezu pro malé čerpané průtoky Q kapaliny.

Nastav, tepl. Tcons	Průtok Q	Střední teplota	Amplituda kolísání	Perioda kolísání
55 °C	1 1/min	56,5 °C	7°C	36s
	2 1/min	55 °C	6 °C	33s
	3 1/min	52,5 °C	7 °C	60s
40 °C	1 1/min	43 °C	6,5 °C	45s
	3 1/min	40 °C	5 °C	32s
	5 1/min	38 °C	5 °C	55s

Jak je patrné, je nastavená teplota Tcons téměř dosažena, až na několik stupňů (max. 3 °C) po celou dobu kolísání (v podstatě odpovídající době čerpání), a to i pro malé čerpané průtoky Q

-8CZ 293688 B6 kapalin. Kolísání teploty zůstávají malá (v rozmezí 5 až 7 °C) a jsou silně tlumena vedením v potrubí, vzhledem k jejich vysoké častosti, což znatelně snižuje komfort použití, a vylučuje potřebu nákladných zařízení, jako směšovací baterie, přičemž cena součástek (přerušovač, čidla, bistabilní relé nebo obvod PID) je relativně malá, protože jsou rozšířené a běžné.

Vynález se samozřejmě neomezuje na výše popsaná provedení. V přerušovaném režimu se tak bude moci rozdíl výkonu P mezi nulovým výkonem P a výkonem P vyšším než je minimální výkon Pmin nebo rovnému minimálnímu výkonu Pmin realizovat přechodem přes více prodlevových stupňů (tedy bez „skoků“, ale spíše souvislou proměnou) pro výkony P vyšší, než je minimální výkon Pmin od okamžiku, kdy střední výkon P zůstává nižší, než je minimální výkon Pmin.

Zařízení 1 tak může být řešeno odlišně a může zejména obsahovat primární okruh, v němž cirkuluje první tekutina, ohřívaná hořákem 5, a druhý okruh, v němž cirkuluje ohřívaná kapalina jako druhá tekutina a kteiý obsahuje výměník tepla, dovolující ohřívat pomocí první tekutiny, například páry, čerpanou druhou tekutinu. V tomto případě je čerpaná kapalina (druhá tekutina) ohřívána hořákem 5 nepřímo, ale způsob zůstává stejný, tj. výkon P hořáku 5 se mění v závislosti na průtoku Q druhé tekutiny a zejména regulační prostředek 10 umožní hořáku 5 fungovat přerušovaně nebo plynule v závislosti na hodnotě průtoku Q kapaliny vzhledem k prahovému průtoku Qs kapaliny, kterému odpovídá minimální výkon Pmin hořáku 5.

Hořák 5 může pracovat s jiným typem směsi paliva a plynu podporujícího hoření, jako je směs topného oleje a vzduchu.

Teplotní čidla 11, 12 konečně mohou být nahrazena čidlem průtoku (stále známého typu), zejména šroubovicového nebo turbínového typu, umístěného na vstupu ohřívacího prostoru 3 pro měření průtoku Q kapaliny a připojeného k regulačnímu prostředku 10, i když je tento typ čidla nákladnější.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob regulace výtokové teploty (Ts) kapaliny z ohřívacího prostoru (3), která do ohřívacího prostoru (3) vstoupila při vstupní teplotě (Tef) nižší než je výtoková teplota (Ts) nebo rovné výtokové teplotě (Ts), aby se tato výtoková teplota (Ts) přizpůsobila prostřednictvím hořáku (5) uzpůsobeného k tomu, aby v klidovém stavu měl nulový výkon (P) nebo aby měl v zapáleném stavu výkon (P) mezi nenulový minimálním výkonem (Pmin) a maximálním výkonem (Pmax) vyšším než je uvedený minimální výkon (Pmin), přičemž kapalina vystupuje z ohřívacího prostoru (3) s nenulovým čerpaným průtokem (Q) kapaliny, v závislosti na kterém se vyvolává měnění výkonu (P) hořáku (5), přičemž hořák (5) pracuje buď v plynulém režimu nebo v přerušovaném režimu v závislosti na čerpaném průtoku (Q) kapaliny, vyznačený tím, že čerpaný průtok (Q) kapaliny je určen výpočtem v závislosti na referenční teplotě, jako je vstupní teplota (Tef), na nejméně jedné naměřené teplotě, jako je výtoková teplota (Ts), a provozním údaji hořáku (5), jako je průtok (Qgaz) plynu přiváděného do hořáku (5).
2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že čerpaný průtok (Q) kapaliny je definován dynamicky pomocí vztahu:

Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))]/[Cp * (Ts - Tef)], kde (n) je účinnost hořáku (5),

-9CZ 293688 B6 (Pci) je výhřevnost plynu v W.h/m³, (Qgaz) je objemový průtok plynu, v m³/h, přiváděného k hořáku (5), (Mequ) je součinitel představující tepelnou setrvačnost ohřívacího prostoru (3), (Cp) je tepelná kapacita kapaliny v J/kg/K (4180 pro vodu), (dTs/dt) je změna (derivace) výtokové teploty (Ts) kapaliny na výstupu z ohřívacího prostoru (3) v čase (t), a (Tef) je vstupní teplota kapaliny do ohřívacího prostoru (3).
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že hořák (5) přechází z jednoho funkčního režimu do druhého funkčního režimu na základě porovnání mezi čerpaným průtokem (Q) kapaliny a prahovým průtokem (Qs) kapaliny, kterému odpovídá minimální výkon (Pmin) hořáku (5).
4. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačený tím, že po celou dobu, po kterou je čerpaný průtok (Q) kapaliny, kterému odpovídá určitý výkon (Pdem) požadovaný od hořáku (5), nižší než je prahový průtok (Qs) kapaliny, kterému odpovídá minimální výkon (Pmin) hořáku (5), se nechává hořák (5) pracovat v přerušovaném režimu, s výkonem (P), který se mění střídavě mezi uvedeným nulovým výkonem (P) a výkonem (P) větším než je minimální výkon (Pmin) hořáku (5) nebo rovným minimálnímu výkonu (Pmin) hořáku (5), takže se po tuto dobu získá výsledný střední výkon (Pmoy) nižší, než je minimální výkon (Pmin) hořáku (5) a odpovídající požadovanému výkonu (Pdem).
5. Způsob podle nároku 4, vyznačený tím, že se po dobu, kdy čerpaný průtok (Q) kapaliny, kterému odpovídá určitý výkon (Pdem) požadovaný od hořáku (5), je nižší než je prahový průtok (Qs) kapaliny, se omezuje výchylka výkonu (P) hořáku (5) mezi jeho nulovým výkonem (P) a minimálním výkonem (Pmin).
6. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačený tím, že když je čerpaný průtok (Q) kapaliny, jemuž odpovídá určitý výkon (Pdem) požadovaný na hořáku (5), větší nebo rovný prahovému průtoku (Qs) kapaliny, jemuž odpovídá určitý minimální výkon (Pmin) hořáku (5), se nechá hořák (5) pracovat v plynulém režimu, s výkonem (P), který je větší než je minimální výkon (Pmin) nebo rovný minimálnímu výkonu (Pmin) a který se mění plynule a progresivně v čase t v závislosti na čerpaném průtoku (Q) kapaliny.
7. Zařízení pro provádění způsobu podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, obsahující ovládací ústrojí (9) hořáku (5), spojené s regulačním prostředkem (10) pro přizpůsobování výkonu (P) hořáku (5) v závislosti na čerpaném průtoku (Q) kapaliny, a to v přerušovaném režimu s téměř okamžitou výchylkou výkonu (P) v čase t, nebo v plynulém režimu s progresivní a plynulou výchylkou výkonu (P) v čase t, vyznačené tím, že obsahuje prostředky pro výpočet průtoku (Q) kapaliny na základě referenční teploty, jako vstupní teploty (Tef), nejméně jedné naměřené teploty, jako je výtoková teplota (Ts), a provozního údaje hořáku (5), jako je průtok (Qgaz) plynu přiváděného do hořáku (5).
8. Zařízení podle nároku 7, vyznačené tím, že dále obsahuje počítací prostředek, umožňující porovnávat čerpaný průtok (Q) kapaliny, vypočítaný s pevně nastaveným prahovým průtokem (Qs) kapaliny pro to, aby regulační prostředek (10) přizpůsoboval výkon (P) hořáku (5) v závislosti na hodnotě čerpaného průtoku (Q) kapaliny, vypočítaného vzhledem k prahovému průtoku (Qs) kapaliny.
9. Zařízení podle nároku 8, vyznačené tím, že počítací prostředek je nastaven na spouštění při zapálení s hodnotou průtoku (Q) kapaliny větší než nula nebo rovnou nule, a na saturování při hodnotě maximálního průtoku (Q) kapaliny, například 20 litrů za minutu.