TWI528002B - 水加熱系統 - Google Patents

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TWI528002B TW101102960A TW101102960A TWI528002B TW I528002 B TWI528002 B TW I528002B TW 101102960 A TW101102960 A TW 101102960A TW 101102960 A TW101102960 A TW 101102960A TW I528002 B TWI528002 B TW I528002B
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Description

水加熱系統
本發明大體上係關於一種水加熱系統，且更明確言之，本發明係關於一種水加熱系統及利用前饋控制之方法。
參考名稱為「TANKLESS WATER HEATER」之2011年1月28日申請之美國臨時申請案第61/437,527號且本申請案主張該申請案之優先權及益處，該申請案之全文以引用方式併入本文中。
在家庭及商業應用中，水加熱器大多數為貯槽類型。此等水加熱器為圓柱形容器，其中水持續保持較熱且準備供使用。貯槽中之水將在一段時間後變涼，此致使加熱系統啟動以使重新水變熱。另外，一旦來自貯槽之熱水供應已被耗盡，則在再次取得熱水之前存在一延遲。
即熱式(Tankless)水加熱器在水流動通過器件時加熱水，且在內部通常不保留任何水(熱交換器盤管中之水除外)。習知即熱式水加熱器之一挑戰為以不同流速輸出相同溫度之水。另外，熱交換器會隨時間逝去而遭受腐蝕且效率降低。
在本發明之一態樣中，一水加熱系統包含用於提供一熱能量源之一燃燒器總成。該燃燒器總成包含一燃燒室、將一氣流供應至該燃燒室之一進氣口及將燃料供應至該燃料腔室之一燃料進口。一熱交換器總成係可操作地耦合至該 燃燒器總成，且包含與一第二流體管道成熱交換關係之一第一流體管道。該水加熱系統進一步包含：一進水管道，其耦合至該熱交換器總成以供應待加熱之新進水；及一出水管道，其耦合至該熱交換器總成以將該熱水輸送至一使用點。一旁路管道將該出水管道連接至該進水管道，且安置在該旁路管道中之一泵使該熱水之至少一部分自該出水管道循環至該進水管道。定位在該熱交換器總成與該旁路管道之間之該進水管道中之一前饋感測器監測進入該熱交換器總成之混合水之一參數，且一處理器回應於該前饋感測器而控制該燃燒器總成之操作。
在本發明之另一態樣中，提供一種用於操作一水加熱系統之方法。該方法包含一步驟：提供一熱交換器總成、用於以將水供應至該熱交換器總成之一進水管道、連接至該熱交換器總成以將熱水供應至一需求之一出水管道、用於給該熱交換器總成中之該水加熱之一熱源及將該出水管道連接至該進水管道之一旁路管道。該方法進一步包含以下步驟：將該熱交換器中之水加熱至一設定點溫度；及將來自該旁路管道之該熱水之至少一部分與該進水管道中之該水混合。該方法進一步包含以下步驟：監測該進水管道中之該水在進入該熱交換器總成前之一第一參數；及回應於該水之該第一參數而控制該熱源以實現該出水管道處之該設定點溫度。
可參考下述圖式而更好地理解本文中所述之特徵。圖式 未必按比例繪製，相反，一般將重點放在繪示本發明之原理上。在圖式中，相同元件符號係用以指示全部各種視圖中之相同部件。
圖1描繪根據本發明之一實施例之一水加熱系統10之一示意圖。新進水係藉由一進水管道12而供應至水加熱系統10。管道12中之水進入一熱交換器總成14，該水在熱交換器總成14中被加熱至一期望或設定點溫度且被排放至一出水管道16。接著，該熱水可用以滿足家庭或設備之需求。
水加熱系統10包含一燃燒器總成18，其經調適以在一燃燒室中燃燒一燃料與一氧化劑以產生燃燒之加熱產物。在典型系統中，該氧化劑為空氣。燃燒之產物(熱氣)自燃燒器總成18排出且被提供至熱交換器總成14，而後，該等產物與循環通過熱交換器總成之水發生熱交換關係。在熱交換器總成14內，水與燃燒之產物隔離。即，一第一流體管道20與一第二流體管道21成熱交換關係，但其等未被合併。在所繪示實施例中，第一流體管道20為熱交換器內之一或多個熱交換管且第二流體管道21為包圍該等熱交換管之熱交換器之內部區域。燃燒之產物在熱交換管20中流動，且水流動通過第二流體管道21(即，圍繞管20)並經由出水管道16而自熱交換器總成14導出。熱燃燒氣體經由一燃燒排氣歧管22而自熱交換器總成14排出。在另一實施例中(圖中未繪示)，水流動通過熱交換器總成中之管且熱燃燒氣體圍繞該等管循環。
水加熱系統10進一步包含將出水管道16連接至進水管道 12之一旁路管道24。一泵26係經調適以使熱水之至少一部分自出水管道16循環至較冷進水管道12。在一實施例中，泵26為以一恆定流速連續循環之一恆流模型。
水加熱系統10進一步包含感測器以監測系統之操作條件或系統健康參數。在系統之液體側上，定位在旁路管道24上游之一進水口感測器28可監測進入新進水之溫度。安裝在旁路管道24與熱交換器總成14之間之進水管道12中之一前饋感測器30可(例如)監測進入熱交換器之水在與自旁路管道流入之熱水混合後之溫度。一出水口感測器32可監測離開熱交換器總成14之熱水之溫度或流速。在系統之燃燒側上，一進氣口感測器34可監測條件，諸如流動至燃燒器總成18之空氣之溫度，且一排氣口感測器36可監測可用以判定燃燒效率之排氣煙道中之條件，諸如溫度。
水加熱系統10進一步包含一處理器38(或CPU)(其可為一微處理器或微控制器)且包含適合於控制水加熱系統之總體操作之任何結構。在一實施例中，可回應於前饋感測器30而控制燃燒器總成18之操作。在一實例中，處理器38回應於進入熱交換器總成14之混合水(例如新進水加再循環水)之溫度而控制燃燒器總成18之操作。
水加熱系統基於需求原則而操作。即，在操作期間，基於設備需求而預測通過出水管道而輸送之熱水之流量。當設備無需熱水時，沒有熱水自管道16流出。在先前水加熱系統中，當無需求時，系統中無流動。因此，系統中之停滯水之溫度逐漸降低。在即熱式系統中，溫度因系統中之 水容量較低而急速下降。當熱水需求恢復時，熱交換器出口處之溫度通常明顯低於期望或設定點溫度。回應於出水口溫度而控制燃燒器總成之系統將藉由100%點燃燃燒器達一較長時段而作出回應。通常，快速添加至熱交換器之高熱量致使出水口溫度飆升且超過設定點，且燃燒器將熄火。當出水口溫度下降至設定點以下時，燃燒器將再次燃起。燃燒器之此啟動/停用操作導致重複地超過及低於設定點，尤其是一冷起點。可利用一比例/積分/微分(PID)控制器來稍微緩解問題，但自燃燒器輸出之上升及下降熱仍導致熱交換器組件之熱循環。來自該熱循環之熱交換器組件上之應力及應變通常導致修理昂貴之組件過早失效。
相比而言，本文中所述之水加熱系統藉由使自熱交換器總成14排出之熱水之部分或全部回流至熱交換器進口中而維持一恆定設定點溫度。以此方式，系統中之水不停滯，且可在自設定點之破壞性擺動不存在之情況下維持溫度。在一實例中，當設備無需熱水且因此不存在來自出水管道16之流動時，流動仍循環通過熱交換器總成，因為來自泵26之流動回流至熱交換器總成14之進口中。因為沒有需求，所以系統中之水容量不會改變且沒有新進水自進水管道12添加至系統10。因此，前饋感測器30處之水溫度將非常接近於熱交換器出口處之設定點溫度。處理器38可監測前饋感測器30且回應於前饋感測器30而控制燃燒器總成18之操作。當系統中之水溫度逐漸下降時，處理器38可命令燃燒器總成18以恢復出水口設定點溫度(如前饋感測器30 處所量測)之一方式操作。
當設備之熱水需求恢復時，由來自進水管道12之新進水補充自出水管道16出來之流速。然而，因為泵26使熱水之一部分回流至熱交換器總成14之進口中，所以混合水可實質上暖於新進水且需要來自燃燒器總成18之較少熱以實現熱交換器出口處之期望或設定點溫度。較少熱輸入導致熱交換器組件之較少熱循環。
前饋感測器30可(例如)感測進入熱交換器總成14之混合水之溫度。處理器38可監測來自感測器30之輸出且回應性命令燃燒器總成18之操作。在一實施例中，儲存在處理器38之記憶體中之一演算法界定進入燃燒器總成18之燃料及空氣之一閥排程。該閥排程係基於由前饋感測器30感測之溫度。
參考圖2，其中相同元件符號指示與圖1相同之元件，根據本發明之一實施例而繪示一水加熱系統10之一透視圖。可根據圖1中所描繪之示意圖而配置及構造水加熱系統10之組件。水加熱系統10包含一熱交換器總成14，其具有位於基底處之一進水管道12及位於頂部處之一出水管道16。進水管道12包含一進水口感測器28，其在所繪示實例中係一RTD型(電阻溫度偵測器)熱電偶。一排水閥40可耦合至進水管道12或否則定位在熱交換器總成14之基底處以允許熱交換器內之水排出。出水管道16可包含一出水口感測器32以(例如)感測離開熱交換器總成14之熱水之溫度。在所繪示實例中，出水口感測器32係一RTD型熱電偶。出水管 道16可進一步包含一釋壓閥42以在管線超壓之條件下釋放水壓。
水加熱系統10包含將出水管道16連接至進水管道12之一旁路管道24。一泵26係經調適以使熱水之至少一部分自出水管道16向下循環至較冷進水管道12。在一實施例中，泵26為通過旁路管道24之以一恆定流速連續循環之一恆流模型。一例示性泵26為由Taco公司，Cranston RI供應之一濕轉子循環泵，其經組態以維持每分鐘5加侖至每分鐘25加侖(5 GPM至25 GPM)之恆定水流。在一選用實施例中，流速約為15 GPM。在另一實施例中，無論新進水進口處之新進水之流動如何，通過熱交換器總成14之流速保持恆定。在又一實施例中，熱水與新進水之間之比率可為約60%至40%。
如參考圖1所述，一前饋感測器30係安裝在旁路管道24與熱交換器總成14之間之進水管道12中，且可(例如)監測進入熱交換器之水在與自旁路管道流入之熱水混合後之溫度。在一實施例中，前饋感測器30係定位在與使旁路管道24與進水管道12接合之T截面相距一距離「D」之下游(例如朝向熱交換器總成14)以確保新進水與再循環熱水之適當混合。在一實例中，該距離「D」為至少4英寸(10.2厘米)。
水加熱系統10可進一步包含包括一基底及垂直基底支腳之一安裝滑板44。在一實例中，滑板44之基底部分包含桁條46以允許一叉架升降機或托板車升起及運送加熱系統。 安裝板48(圖2)可焊接至熱交換器總成14。支撐整個水加熱系統10之安裝板48係栓接至滑板44之垂直支腳。以此方式，水加熱系統10可在製造時牢固至滑板44且容易被運送、安裝及自一設備移除。在一實施例中，滑板44具有一緊湊外形尺寸以允許水加熱系統10被安裝在一通用壁櫥中。在一實例中，滑板44之外形尺寸為約28英寸寬及約51英寸深(71.1厘米×129.1厘米)。
在一實施例中，水加熱系統10包含一空氣燃料輸送系統50，其使空氣與燃料在進入至燃燒器總成18之燃燒室中之前預先混合。圖3描繪一例示性空氣燃料輸送系統50之一透視圖。系統50首先包含一空氣過濾器52以自進入氣流移除空氣中懸浮微粒。一進氣口感測器34可提供資料(諸如溫度量測值)以有助於水加熱系統10之操作。該進入氣流在一空氣燃料閥總成54中與燃料混合。一氣體吸收裝置56(圖4)經由一燃料進口凸緣58而連接至空氣燃料閥總成54以給閥提供氣態燃料。一鼓風機60將空氣/燃料混合物自一鼓風機側之進氣歧管62向下推進至燃燒器總成18。在一實例中，鼓風機60可為一8.9英寸(225毫米)之可變速無刷鼓風機，諸如購自Kent,Ohio之Ametek Technical and Industrial Products之Nautilairl®牌鼓風機。在一實施例中，空氣燃料閥總成54給燃燒器總成18之操作提供20：1之一調節比。即，燃料/空氣混合比及鼓風機60之速率可經調整以提供來自燃燒器總成18之一熱源，其介於燃燒器最大輸出之5%至100%之間。
在其他實施例中，燃料及空氣可單獨導入至燃燒室中。例如，一空氣管道及一燃料管道可單獨耦合至燃燒器總成以分別輸送空氣及燃料。
圖4描繪部分隱藏在圖2中之燃料氣體吸收裝置56之一透視圖。燃料可包含複數種適合氣體，例如壓縮天然氣(CNG)。CNG之化學成分可變動且本文中可考量諸多適合成分。在一實施例中，CNG包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氮氣(N2)及二氧化碳(CO2)。氣體吸收裝置56使燃料自一供應管道64向下流動至由安全切斷閥(SSOV)致動器68開啟及關斷之一SSOV 66。可由連接至一下游壓力源(諸如T形氣管70及撓性氣管72)之一調節器驅動致動器68。可由一壓力開關74控制通過氣管72之流動，該壓力開關經調適以保持關斷直至達到一最小臨限氣壓，例如4英寸之水柱。在另一實例中，氣體吸收裝置56亦可具有一低氣壓開關(圖中未展示)，其能夠在燃料壓力下降至一預定限制(諸如2.6英寸之水柱)以下之條件下關斷SSOV致動器68。氣體吸收裝置56亦可包含一手動切斷閥76，諸如一1英寸球閥。氣體吸收裝置56終止於連接至空氣燃料閥總成54(圖3)之燃料進口凸緣58。
圖5描繪圖2中所展示之水加熱系統之一橫截面側視圖，圖6描繪燃燒器總成18之一橫截面側視圖，及圖7描繪燃燒器總成18之一透視分解圖。參考圖5至圖7，熱交換器總成14包含其內牢固一或多個熱交換管20之一圓柱形殼體78。在一實例中，殼體78可由不鏽鋼製成。待加熱之水自進水 管道12流入至殼體78中，且自殼體流出至出水管道16。系統10為一即熱式設計，因為不存在用於熱水之儲存槽。系統10中之水容量僅為流入殼體78內部之水容量。
在本發明之一實施例中，熱交換管20包括以螺旋方式盤繞之一外管80及亦以螺旋方式盤繞之安置在外管80內之一內管82。在一例示性構造中，提供一管板84以將熱交換管80、82牢固在熱交換系統10之底部。管板84包括具有一中心開口之一圓形凸狀不鏽鋼板。薄板84具有以一銳角加工之通孔以接納該等螺旋纏繞管20。熱交換管20亦以互補銳角彎曲且被銅焊至薄板84中。管板84可使其內徑銅焊或否則密封至燃燒器總成18(其通過管板84而配合)且使其外徑銅焊或否則密封至殼體78。
在熱交換器總成14之頂部，熱交換管80、82係銅焊或否則牢固至一擋板總成86，該擋板總成係定位在水加熱器之殼體78與燃燒室之頂部之間以集中圍繞螺旋管20之水流。擋板總成86藉由防止或至少緩解水垢累積且局部地降低表面溫度而提供一雙重益處。在一實施例中，高速擋板總成86為具有一同心孔或中心孔口之一圓形不鏽鋼板。擋板總成86可包含均等徑向地分佈在其周圍之加工孔以接納螺旋管20。該中心孔口有益於將第二流體管道21內之向上流動水引導或導引至一局部區域。該孔口提供一收縮以局部地增大水速度。在一實例中，該孔口係經定尺寸以提供大於每秒8英尺之一水速度。藉由增大局部水速度而防止或至少明顯延遲水垢在熱交換管20之表面上之累積，此延長熱 交換器之使用期限。另外，增大局部水速度使組件表面溫度保持較冷。此在熱交換器之頂部附近尤其重要，因為燃燒室出口處之溫度最高。由一彈性材料製成之一擋板密封墊88亦可安裝在擋板總成86與殼體78之間。擋板密封墊88阻止水流動於擋板總成86與殼體78之間。
螺旋管20(例如80、82)可由不鏽鋼製成且可包含在管外表面上之凹槽或類似物。該等凹槽增大流動通過管20之水之速度及紊流度，此改良自熱氣至水之熱傳遞。螺旋組態亦減小由管熱膨脹及收縮引起之應力。雖然管之兩端受約束(例如銅焊在管板84及擋板總成86處)，但螺旋幾何結構允許明顯之膨脹及收縮且不會使銅焊接合受過大應力。
熱交換器總成14之殼體78內之組件(諸如熱交換管20、管板84及擋板總成86)可包含防腐蝕性以減少來自新進水之腐蝕效應。在一實施例中，組件係經無電鍍鎳。在一實例中，鍍鎳可在0.0003英寸至0.001英寸之範圍內。焊接及銅焊不鏽鋼組件與提供一無電鍍鎳塗層之組合改良熱交換器之使用期限。
熱交換器總成14進一步包含一燃燒器總成18，其提供熱源以升高流入熱交換管20中之水之溫度。在所繪示實施例中，燃燒器總成18與殼體78之底部配合且密封至殼體78之底部。燃燒器總成18包含一圓柱形燃燒室90，其穿過螺旋熱交換管20之中心敞開部分而向上延伸。在燃燒室之終端(殼體78之頂部附近)，燃燒之產物(例如熱氣)被導引至位於擋板總成86中之熱交換管20之一敞開端中。接著，該等 熱氣在圍繞燃燒室之外側之管20中向下流動，且最終自總成之基底處之燃燒排氣歧管22排出。同時，水沿自進水管道12朝向總成頂部處之出水管道16之一向上方向、圍繞管20而流動。
圖7中描繪燃燒器總成18之一分解透視圖。燃料/空氣混合物通過鼓風機側之進氣歧管62而進入且在徑向燃燒室90中被點燃。燃燒器總成18可包含一螺線管啟動式點火器92及一火焰偵測器94(諸如一火焰棒)，該火焰偵測器之輸出被發送至系統微處理器38或CPU。CPU可在該火焰棒指示燃燒已過早終止之條件下命令一安全關閉。燃燒器總成18亦可包含一冷凝物護罩96，其提供一濕氣障壁以保護點火器92及其他組件免受可在溫度偏離額定值、冷卻或類似情況期間自熱交換管20滴下之液態水影響。燃燒器總成18安裝至進氣歧管62。在一實施例中，一配合板98栓接至進氣歧管62上之一凸緣，且一高溫密封件100(諸如一Fiberfrax®密封墊)保護進氣歧管免受由燃燒室90產生之熱影響。
圖8A至圖8D描繪圖5中所展示之水加熱系統10之外部透視圖。參考圖5及圖8A至圖8D，水加熱系統10可包含操作上優於習知封閉體或機殼之一密封燃燒封閉體102。在一態樣中，封閉體102提供一構件以調節進入燃燒器總成18之空氣。在另一態樣中，封閉體102提供一構件以確保水加熱系統之無聲操作。
封閉體102可由片狀金屬面板製成且以便於提供一密封 內部環境之一方式組裝。圖8A至圖8C描繪一密封封閉體102之一實施例。封閉體102包含一前門總成104及一前面板106。雖然圖8A中未繪示，但前門總成104打開以提供對(例如)電面板、開關、I/O接線盒總成、電源箱總成、可程式化C-More RS232控制介面及空氣過濾器52之接取。密封封閉體102進一步包含一頂部面板108、一基底封蓋面板110、右側面板112a及左側面板112b。封閉體102之後面可包含複數個封蓋及面板以圍封進水管道12、出水管道16、一進氣埠114、燃燒排氣歧管22、氣體吸收裝置連接件56及其他收集器與排水管。在一實施例中，密封封閉體102之後面包含一左後面板116、一管封蓋118、一右上後面板120、一接取面板122、一右側面板124、一右下後面板126及一後下面板128。該等面板互鎖在一起或否則牢固在一起以提供一密封封閉體。在一實施例中，該等面板包含一體式快速釋放之直角回轉閂鎖130以易於接取用於更換及/或維護之主要組件。閂鎖設計使整個封閉體102在正常操作期間保持緊密密封且允許維修以在移除耗時緊固件時無需使用工具。
在本發明之一態樣中，封閉體102提供一構件以調節進入燃燒器總成18之空氣。在一實例中，調節包含過濾空氣。封閉體102界定用於一燃燒空氣過濾系統之一氣室132(圖5)。該燃燒空氣過濾系統減小微米級微粒進入燃燒器總成18且阻塞重要燃燒器材料之可能性，否則將因不佳燃燒而需要昂貴維修。在一實例中，耦合至空氣燃料輸送 系統50之空氣過濾器52係位於封閉體內使得用於空氣燃料閥總成54之氣流自氣室132被汲取。在一選用實施例中，當以ISO 5011測試時，所揭示系統之過濾效率係在自約96%至約99%之一範圍內。
在另一實例中，封閉體102藉由穩定操作之溫度範圍而調節進入空氣。就此而言，水加熱系統10進一步包含一預熱燃燒空氣輸送系統。由封閉體102界定之氣室132用來緩解外部環境之溫度極限且將穩定溫度範圍內之空氣供應至燃燒器總成18。例如，用於燃燒之外部氣溫通常在-20℉至120℉(-28.9℃至48.9℃)範圍內，此表示系統必須適應之一140℉(77.8℃)差值或差量(△)。該預熱燃燒空氣輸送系統將操作氣溫範圍下降至約50℉至90℉(10.0℃至32.2℃)，一40℉(22.2℃)差量。操作溫度之此較小範圍因減小由溫度變化引起之空氣密度而改良燃燒穩定性。例如，當外部溫度高於90℉時，空氣與室內空氣混合以降低其溫度。當外部空氣低於50℉時，因為封閉體被隔離，所以引入至封閉體102中之空氣吸收其內之至少一些熱。
在本發明之另一態樣中，封閉體102提供一構件以確保水加熱系統之無聲操作。封閉體102可內襯隔音材料134以減少操作期間自封閉體發出之環境噪音。在一實例中，當單元以100%之輸入(全容量)操作時，封閉體102外部所量測之聲壓位準為約55 dBa。此聲音位準可與相距3.3英尺(1米)之一收音機或電視之低音量設定比較。在一選用實施例中，絕音材料134具有將備用損耗減至1%以下之進一步 優點。
如上文中所揭示，系統感測器(諸如進水口感測器28、前饋感測器30或出水口感測器32)之資料輸出可連接至經調適以操作水加熱系統10或監測系統之健康之一處理器38(圖5)。在操作中，處理器38(或一些實施例中之一單獨處理器)之至少一部分可組態為一動態負載預感器。當旁路泵26運行時，該動態負載預感器(DLA)可回應於來自前饋感測器30之輸入而控制出水口溫度。在一實施例中，該DLA係經一演算法程式化以控制水加熱器之出口溫度。在此實施例中，將基於前饋溫度感測器30之量測值變化之動態負載(流)之溫度變化控制在2℉內。處理器38命令將燃氣之空氣燃料燃燒系統18之輸入(例如)自5%調變至100%。
表I描繪可程式化至處理器38中之一例示性演算法。在此實例中，水加熱系統10提供每小時一百萬之BTU以在136℉之一溫度下供應每分鐘50加侖之一連續水需求率，且旁路泵26以約15 GPM循環。前饋溫度感測器30提供指示進入熱交換器總成14之混合水溫度之資料，該資料在與一設定點或期望出口溫度比較時可用以計算需要添加至熱交換管20之熱能之數量。因為來自出水管道16之熱水之至少一部分係回流至進水管道12中且循環流速為一已知或固定值，所以可基於該循環流速而預測將溫度升至該設定點之所需熱能量。在一選用實施例中，出水口感測器32可給處理器38提供離開熱交換器總成14之水之溫度以將計算結 果添加或補充至演算法。
在一實施例中，處理器38亦可監測進水口感測器28與前饋感測器30之間之差值以確認旁路泵26適當操作。在一實例中，進水口感測器28及前饋感測器30量測溫度。若泵26失效，則熱水不與新進水混合且進水口感測器28與前饋感測器30之間之溫度差將可忽略。在此情況中，處理器38可命令水加熱系統10切換至操作之一失效安全模式，諸如一回饋控制模式。在該回饋控制模式中，燃燒器總成18之操作對出水口感測器32作出回應。處理器38亦可將一故障指示發出至(例如)前門總成104上之一讀出器。此動作不會終止或鎖定水加熱系統10之操作，且給操作者提供存在故障之一指示。
進水口感測器28亦可給DLA中之演算法提供額外資料以有助於判定需要添加至進口水之熱能數量。
在另一實施例中，處理器38亦可監測燃燒排氣感測器36以監測水加熱系統10之煙道氣溫度作為熱/燃燒效率之一量測值。若熱交換管20之表面結垢，則效率將降低且該煙道氣溫度將升高。在一實例中，處理器38可在煙道氣溫度36達到一第一臨限值時發出一警報。當溫度36達到一第二更高臨限值時，處理器38可命令空氣燃料輸送系統50改動空氣/燃料比以維持效率。若達到一第三更高臨限值，則水加熱系統10將發生故障、關閉及需要清洗熱交換器總成14。分級臨限值限制及隨後之操作者維護通知減小熱交換器總成14將遭受破壞性腐蝕之可能性。
雖然已參考諸多特定實施例而描述本發明，但應瞭解本發明之真實精神及範圍僅取決於可由本說明書支持之申請專利範圍。此外，雖然本文之諸多情況中將系統、裝置及方法描述為具有一定數量之元件，但應瞭解可利用更少之所提及數量之元件來實踐此等系統、裝置及方法。另外，雖然已描述諸多特定實施例，但應瞭解已參考各特定實施例而描述之特徵及態樣可與各剩餘特定所述實施例一起使用。
本文中描述之方法之一樣本如下：
A.一種用於操作一水加熱系統之方法，其包括以下步驟：
提供一熱交換器總成、用於給該熱交換器總成提供水之 一進水管道、連接至該熱交換器總成以給一需求提供熱水之一出水管道、用於給該熱交換器總成中之水加熱之一熱源及將該出水管道連接至該進水管道之一旁路管道；將該熱交換器中之水加熱至一設定點溫度；將來自該旁路管道之該熱水之至少一部分與該進水管道中之該水混合；監測該進水管道中之該水在進入至該熱交換器總成前之一第一參數；及回應於該水之該第一參數而控制該熱源以實現該出水管道處之該設定點溫度。
B.如段落A之方法，其中使該熱水之至少一部分自該出水管道流動至該進水管道之步驟包括以一恆定流速將該熱水泵抽至該進水管道。
C.如段落A之方法，其中所監測之該第一參數係溫度且該熱源係一燃燒器總成，且控制該熱源之步驟包括調整該燃燒器總成之一空氣燃料閥之調變。
D.如段落A之方法，其進一步包括以下步驟：在該出水管道處提供一出水口感測器；監測該出水口感測器；及回應於該出水口感測器而進一步控制該熱源。
E.如段落A之方法，其中該熱源係一燃燒器總成，且該方法進一步包括給該水加熱系統提供一密封封閉體之步驟，該封閉體界定一內部氣室，該方法進一步包括調節進入該燃燒器總成前之該氣室中之空氣之步驟。
F.如段落E之方法，其中調節該氣室中之空氣之步驟包 括過濾該空氣。
G.如段落F之方法，其中該過濾步驟實現以ISO 5011測試時之自約96%至約99%之一範圍內之一過濾效率。
H.如段落E之方法，其中調節該氣室中之空氣之步驟包括將該空氣預熱至約50℉至約90℉之一溫度範圍。
I.如段落A之方法，其進一步包括局部地增大該熱交換器總成內之水之速度以緩解水垢累積之步驟。
J.如段落I之方法，其中該速度被增大至每秒至少8英尺。
10‧‧‧水加熱系統
12‧‧‧進水管道
14‧‧‧熱交換器總成
16‧‧‧出水管道
18‧‧‧燃燒器總成
20‧‧‧第一流體管道/熱交換管/螺旋纏繞管
21‧‧‧第二流體管道
22‧‧‧燃燒排氣歧管
24‧‧‧旁路管道
26‧‧‧泵/旁路泵
28‧‧‧進水口感測器
30‧‧‧前饋感測器
32‧‧‧出水口感測器
34‧‧‧進氣口感測器
36‧‧‧排氣感測器/煙道氣溫度
38‧‧‧處理器
40‧‧‧排水閥
42‧‧‧釋壓閥
44‧‧‧滑板
46‧‧‧桁條
48‧‧‧安裝板
50‧‧‧空氣燃料輸送系統
52‧‧‧空氣過濾器
54‧‧‧空氣燃料閥總成
56‧‧‧燃料氣體吸收裝置
58‧‧‧燃料進口凸緣
60‧‧‧鼓風機
62‧‧‧進氣歧管
64‧‧‧供應管道
66‧‧‧安全切斷閥/SSOV
68‧‧‧安全切斷閥致動器
70‧‧‧T形氣管
72‧‧‧撓性氣管
74‧‧‧壓力開關
76‧‧‧手動切斷閥
78‧‧‧殼體
80‧‧‧外管/熱交換管
82‧‧‧內管/熱交換管
84‧‧‧管板/薄板
86‧‧‧擋板總成
88‧‧‧擋板密封墊
90‧‧‧燃燒室
92‧‧‧點火器
94‧‧‧火焰偵測器
96‧‧‧冷凝物護罩
98‧‧‧配合板
100‧‧‧高溫密封件
102‧‧‧封閉體
104‧‧‧前門總成
106‧‧‧前面板
108‧‧‧頂部面板
110‧‧‧基底封蓋面板
112a‧‧‧右側面板
112b‧‧‧左側面板
114‧‧‧進氣埠
116‧‧‧左後面板
118‧‧‧管封蓋
120‧‧‧右上後面板
122‧‧‧接取面板
124‧‧‧右側面板
126‧‧‧右下後面板
128‧‧‧後下面板
130‧‧‧一體式快速釋放之直角回轉閂鎖
132‧‧‧氣室
134‧‧‧隔音材料
圖1描繪根據本發明之一實施例之一水加熱系統之一示意圖；圖2描繪根據本發明之另一實施例之一水加熱系統之一透視圖；圖3描繪根據圖2中所展示之實施例之一空氣燃料輸送系統之一透視圖；圖4描繪根據圖2中所展示之實施例之一氣體吸收裝置之一透視圖；圖5描繪圖2中所展示之水加熱系統之一橫截面側視圖；圖6描繪根據圖5中所展示之實施例之一燃燒器總成之一橫截面側視圖；圖7描繪圖6中所展示之燃燒器總成之一透視分解圖；圖8A及圖8C描繪用於圖5中所展示之水加熱系統之一例示性封閉體之透視前側視圖及透視右側視圖；及 圖8B及圖8D描繪用於圖5中所展示之水加熱系統之一例示性封閉體之透視後側視圖及透視左側視圖。
10‧‧‧水加熱系統
12‧‧‧進水管道
14‧‧‧熱交換器總成
16‧‧‧出水管道
22‧‧‧燃燒排氣歧管
24‧‧‧旁路管道
26‧‧‧泵
28‧‧‧進水口感測器
30‧‧‧前饋感測器
32‧‧‧出水口感測器
40‧‧‧排水閥
42‧‧‧釋壓閥
44‧‧‧滑板
46‧‧‧桁條
48‧‧‧安裝板
50‧‧‧空氣燃料輸送系統
64‧‧‧供應管道

Claims (27)

  1. 一種水加熱系統，其包括：一燃燒器總成，其用於提供一熱能量源，該燃燒器總成包括一燃燒室、將一氣流供應至該燃燒室之一進氣口及將燃料供應至該燃燒室之一燃料進口；一熱交換器總成，其可操作地耦合至該燃燒器總成，該熱交換器總成包括與一第二流體管道成熱交換關係之一第一流體管道；一進水管道，其耦合至該熱交換器總成以供應待加熱之新進水；一出水管道，其耦合至該熱交換器總成以將該熱水輸送至一使用點；一旁路管道，其將該出水管道連接至該進水管道；一泵，其安置在該旁路管道中以使該熱水之至少一部分自該出水管道循環至該進水管道，藉此給該熱交換器總成提供新進水與再循環水之一混合物；一前饋感測器，其定位在與使該旁路管道與進水管道接合之T截面相距一距離(D)之該進水管道之下游中，該進水管道具有在該進水管道內之新進水與再循環水之該混合物之水流動，該前饋感測器設置於該熱交換器總成與該旁路管道之間，以監測進入該熱交換器總成之新進水與再循環水之該混合物之一參數；及一處理器，其回應於該前饋感測器而控制該燃燒器總成之操作。
  2. 如請求項1之水加熱系統，其中該熱交換器總成係一即熱式設計。
  3. 如請求項1之水加熱系統，其中該燃燒器總成包括經調適以燃燒一燃料與一氧化劑以形成氣態燃燒產物之一燃燒室，該水加熱系統進一步包括一燃燒排氣歧管以自該水加熱系統導出該等燃燒產物。
  4. 如請求項3之水加熱系統，其中該第一流體管道包括一熱交換管，該熱交換管之一第一端耦合至該燃燒器總成之該等燃燒產物且該熱交換管之一第二相對端耦合至該燃燒排氣歧管。
  5. 如請求項4之水加熱系統，其中該熱交換管呈螺旋狀。
  6. 如請求項5之水加熱系統，其中該熱交換管包括與一內螺旋管成包圍關係之一外螺旋管，該內螺旋管係設置於該外螺旋管之一路徑之一直徑之內部。
  7. 如請求項1之水加熱系統，其中該前饋感測器係一溫度感測器。
  8. 如請求項1之水加熱系統，其中該處理器監測該前饋感測器且回應於該前饋感測器而命令該燃燒器總成之操作。
  9. 如請求項8之水加熱系統，其中該處理器根據儲存在該處理器中之一演算法而命令該燃燒器總成之操作，該演算法使來自該前饋感測器之一讀數作為一輸入且使該燃燒器總成之一調變作為一輸出。
  10. 如請求項9之水加熱系統，其進一步包括一空氣燃料輸 送系統，該系統經調適以使一燃料與一氧化劑在進入至該燃燒器總成中之前預先混合，該燃燒器總成之該調變包括該空氣燃料輸送系統之一空氣燃料閥位置。
  11. 如請求項9之水加熱系統，其進一步包括用於監測流入該出水管道中之該熱水之一參數之一出水口感測器，該出水口感測器定位在該熱交換器總成與該旁路管道之間。
  12. 如請求項11之水加熱系統，其中該出水口感測器給儲存在該處理器中之該演算法提供一額外輸入。
  13. 如請求項1之水加熱系統，其進一步包括用於監測流入該進水管道中之該新進水之一參數之一進水口感測器，該進水口感測器定位在該旁路管道之上游。
  14. 如請求項13之水加熱系統，其中該處理器監測該進水口感測器及該前饋感測器以判定該旁路泵是否適當操作。
  15. 如請求項14之水加熱系統，其中該處理器計算該進水口感測器與該前饋感測器之間之溫差，且若該差值可忽略，則該處理器回應於一不同參數而控制該燃燒器總成之操作。
  16. 如請求項15之水加熱系統，其中該處理器回應於該出水管道中之一出水口溫度感測器而控制該燃燒器總成之操作。
  17. 如請求項1之水加熱系統，其中該熱交換器總成進一步包括一擋板總成以增大該第二流體管道中之水之速度。
  18. 如請求項17之水加熱系統，其中該擋板總成包括一板， 該板界定一孔口，水在通過該孔口時速度增大。
  19. 如請求項1之水加熱系統，其中該泵為通過該旁路管道之以一恆定流速連續循環之一恆流模型。
  20. 如請求項1之水加熱系統，其中由約40%新進水與60%再循環水之一比率界定提供至該熱交換器總成之新進水與再循環水之該混合物。
  21. 如請求項1之水加熱系統，其進一步包括界定一氣室之一密封封閉體，該氣室耦合至該燃燒器總成之該進氣口。
  22. 如請求項21之水加熱系統，其中該氣室提供在該封閉體內之一燃燒空氣過濾系統，該燃燒空氣過濾系統包括耦合至該燃燒器總成以自該進入氣流移除空中懸浮微粒之一空氣過濾器。
  23. 如請求項22之水加熱系統，其中當以ISO 5011測試時，該空氣過濾器提供自約96%至99%之一範圍內之過濾效率。
  24. 如請求項21之水加熱系統，其中該氣室提供一預熱燃燒空氣輸送系統以緩解該封閉體外部之溫度極限，當外部溫度在自約-20℉至120℉之一範圍內時，該預熱燃燒空氣輸送系統給該燃燒器總成提供溫度範圍在約50℉至90℉內之進入空氣。
  25. 如請求項21之水加熱系統，其進一步包括耦合至該封閉體之一內部表面以減少操作期間自該封閉體發出之環境噪音之隔音材料。
  26. 如請求項25之水加熱系統，其中當該水加熱系統以全容 量操作時，該封閉體外部所量測之一聲壓位準為約55dBa。
  27. 如請求項21之水加熱系統，其中該旁路管道係位於該封閉體內。
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