ОТОПИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ С КОНТРОЛЕМ CO

Предложение относится к отопительным системам - печам и каминам, работающим на твердом топливе, и обеспечивает получение дополнительных потребительских свойств этих систем.
Известны отопительные системы на твердом топливе, предназначенные для отопления помещений в городских домах и в домах сельской местности. Ряд таких известных отопительных систем - аналогов описан в книге "Шевелев А.М. Кладка печей своими руками. Москва, Россельхозиздат, 1983 "
Кроме того, к таким системам относится известный Отопительный Камин Экономичный Деликатный Многофункциональный (ОК-ЭДМ), описанный в патенте Российской Федерации на изобретение №2261400 с приоритетом от 25.02.2004, автор - Эмдин Дмитрий Михайлович (ЭДМ). Эта отопительная система выбрана в качестве прототипа.
В заявляемой отопительной системе на твердом топливе многофункциональной с контролем угарного газа СО - далее по тексту - отопительная система, кроме элементов, используемых в упомянутых известных отопительных системах, используется еще известные элементы, к которым относятся датчики задымленности.
Известные датчики задымленности или, иначе, пожарные извещатели бывают:
- ионизационные,
- фотоэлектрические,
- комбинированные (ионизационно-фотоэлектрические),
- газоаналитические.
В ионизационных датчиках задымленности имеется радиоактивный изотоп (америций - 231) в дозах, безопасных для человека, который ионизирует воздух в датчике, делая его электропроводным. Частицы дыма изменяют проводимость воздуха, и это улавливается сенсорным элементом датчика задымленности. Формируется аварийный сигнал.
В фотоэлектрических датчиках задымленности имеется малый источник света. При наличии в датчике дыма изменяется количество света, падающего на фотоэлемент датчика, и это изменение приводит к формированию аварийного сигнала.
Принцип действия комбинированных датчиков не требует комментариев.
В газоаналитических датчиках осуществляется анализ изменения электропроводности газочувствительного слоя датчика при химической адсорбции газов на его поверхности.
Компоненты выделяемых газов зависят от состава горящих или тлеющих материалов.
Основными компонентами являются водород (H2) и угарный газ СО. При превышении заданной концентрации датчик формирует аварийный сигнал. Полупроводниковые датчики отличаются высокой чувствительностью (для водорода - 0,000001%), селективностью, быстродействием и относительной невысокой стоимостью благодаря тому, что используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов сочетаются с современными микроэлектронными технологиями.
Как было сказано выше, в качестве прототипа выбрана известная отопительная система на твердом топливе - отопительный камин ОК - ЭДМ, описанный в патенте Российской Федерации на изобретение №2261400.
Камин - прототип работает на твердом топливе (дровах) и содержит массив-корпус, топку с дверцей, пустотелый дымоходный канал (далее по тексту - дымоходный канал) с дымоходной механической задвижкой, в состав которой входит затворный элемент (далее по тексту - дымоходная задвижка), трубу. Выход топки соединен с нижней частью дымоходного канала, верхняя часть которого соединена с трубой. В верхней части дымоходного канала установлена дымоходная задвижка.
Недостатком отопительной системы, в качестве которой выбран камин-прототип, является
отсутствие технической возможности осуществления газ-контроля выделения угарного газа СО в отопительной системе после того, когда камин протопился и необходимо закрыть дымоходную задвижку. Этот угарный газ образуется тогда, когда в камине остаются не полностью сгоревшие дрова, причем его действие негативно влияет на здоровье людей. Чтобы надежно избежать выделения в отапливаемое помещение угарного газа СО, в известных отопительных системах дымоходную задвижку закрывают с некоторой задержкой, выпуская при этом из камина часть полезного тепла наружу.
Цель заявляемой отопительной системы состоит в устранении вышеуказанного недостатка известного устройства, выбранного в качестве прототипа.
Заявляемая отопительная система, как и известная, выбранная в качестве прототипа, является камином (или печью), который работает на твердом топливе (дровах) и содержит массив-корпус, топку с дверцей. пустотелый дымоходный канал (далее по тексту - дымоходный канал), дымоходную механическую задвижку, в состав которой входит затворный элемент (далее по тексту - дымоходная задвижка), трубу. Выход топки
соединен с нижней частью дымоходного канала, верхняя часть которого соединена с трубой. В верхней части дымоходного канала установлена дымоходная задвижка.
Предлагаемая отопительная система позволяет достигнуть следующего положительного эффекта:
обеспечить газ-контроль выделения угарного газа СО в отопительной системе тогда, когда ее топка - завершается, а также тогда, когда в отопительной системе дрова прогорели не полностью, для предотвращения выделения угарного газа СО из отопительной системы в отапливаемое помещение. При обнаружении такого выделения автоматически открывать путь для удаления угарного газа СО из отопительной системы через дымоходный канал и трубу на улицу. При этом контроле вырабатывать соответствующий сигнал о том, что дымоходная задвижка может быть закрыта.
Указанную цель по устранению названного недостатка отопительной системы - прототипа и получению вышеуказанного положительного эффекта удалось достигнуть благодаря тому, что в соответствии с п.1 формулы выполнено следующее:
- в отопительную систему введены пустотелый сенсорный канал (далее по тексту - сенсорный канал) - один или несколько, выполненный в массиве-корпусе, а также гаазоаналитический датчик (один или несколько) задымленности.
- затворному элементу дымоходной механической задвижки придан электропривод с входом управления,
- пустотелый сенсорный канал одной своей частью соединен с пустотелым дымоходным каналом, а другой своей частью - с входом газоаналитического датчика задымленности,
- газоаналитический датчик задымленности своим выходом соединен с входом управления электропривода,
- выход электропривода соединен с затворным элементом дымоходной задвижки.
Предлагаемая отопительная система имеет следующую совокупность основных элементов и связей между ними, которые можно охарактеризовать так:
Отопительная система на твердом топливе содержит массив-корпус, топку с дверцей, пустотелый дымоходный канал, дымоходную механическую задвижку с затворным элементом (далее по тексту - дымоходная задвижка), трубу. При этом выход топки соединен с нижней частью пустотелого дымоходного канала, верхняя часть которого соединена с трубой. В верхней части пустотелого дымоходного канала установлена дымоходная задвижка. В отопительную систему введены пустотелый сенсорный канал и газоаналитический датчик задымленности. Затворному элементу дымоходной механической задвижки придан электропривод с входом управления. Пустотелый сенсорный канал одной своей частью соединен с пустотелым дымоходным каналом, а другой своей частью - с входом газоаналитического датчика задымленности, который своим выходом соединен с входом управления электропривода.
Следует отметить, что известно большое количество разновидностей электроприводов - от привода механической задвижки в электронном замке бытового назначения, обеспечивающего поступательное движение вперед/назад задвижки замка, до привода с вращательным движением по часовой стрелке/против часовой стрелки щеток стеклоочистителя автомобиля.
Широкое распространение получили электроприводы на базе шаговых электродвигателей с питанием от источника постоянного напряжения (см. журнал "Основы схемотехники", №6-7/2001. Автор - Л.Ридико, Библиография - 109 источников информации)
Для питания обычного электродвигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. Все же коммутации в шаговом электродвигателе должен выполнять внешний контроллер. В настоящее время примерно в 90% случаев для управления шаговыми электродвигателями используются микроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым электродвигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скорость определяется частотой следования импульсов.
В заявляемой отопительной системе электропривод должен обеспечивать или поступательное движение вперед/назад затворного элемента дымоходной механической задвижки плоского типа, когда дымоходный канал соответственно закрывают или открывают, или же вращательное движение по часовой стрелке/против часовой стрелки затворного элемента дымоходной механической задвижки поворотного типа, когда дымоходный канал соответственно закрывают или открывают.
Из сказанного следует известность конструктивного выполнения необходимого для реализации настоящего предложения электропривода, обеспечивающего преобразование электрической энергии в энергию поступательного или вращательного движения затворного элемента дымоходной механической задвижки (в зависимости от типа задвижки, установленной в отопительной системе).
На Фиг.1 показана заявляемая отопительная система на твердом топливе многофункциональная с контролем СО в соответствии с п.1 формулы.
На Фиг.1 показана заявляемая отопительная система, содержащая массив-корпус 1, топку 2 с дверцей 3, пустотелый дымоходный канал (далее по тексту - дымоходный канал) 4 с нижней своей частью 5 и с верхней своей частью 6, дымоходную механическую
задвижку 7 поворотного типа с поворотной ручкой 8 затворного элемента 9, установленную в верхней части 6 дымоходного канала 4. Выход 10 топки 2 соединен с нижней частью 5 дымоходного канала 4. Верхняя часть 6 дымоходного канала 4 соединена с трубой 11.
В состав отопительной системы введен электропривод 12, приданный дымоходной задвижке 7 и выполненный на базе шагового электродвигателя. Выход 13 электропривода 12 соединен с затворным (в рассматриваемом исполнении - поворотным) элементом 9 дымоходной механической задвижки 7 (точнее - с осью элемента 9, которая на Фиг.1 не изображена, чтобы не загромождать чертеж). Выходом 13 электропривода является вал шагового электродвигателя. Кроме того, в состав отопительной системы введен газоаналитический датчик 14 задымленности. В отопительной системе выполнен сенсорный канал 15, который соединяет дымоходный канал 4 с входом 16 газоаналитического датчика 14. Сенсорный канал 15 имеет отвод 17, выведенный на наружную сторону массива-корпуса 1.
Сенсорный канал имеет небольшой (5-10 мм) диаметр и может быть выполнен из металлического или иного профиля, размещенного внутри массива-корпуса 1, а также путем оставления соответствующих пустот при кладке отопительной системы или же путем просверливания соответствующего отверстия в массиве-корпусе 1.
Датчик 14 задымленности для улучшения его ремонтопригодности целесообразно разместить на наружной стороне массива-корпуса 1, например, в его декоративных углублениях или выступах.
Датчик 14 задымленности имеет выход 18 исходного состояния и выход 19 - рабочего (аварийного) состояния. Сенсорный элемент, являющийся неотъемлемой частью датчика 14 задымленности, на Фиг.1 не показан, чтобы не загромождать чертеж. Элемент 20 является исполнительным элементом датчика 14 задымленности, с помощью которого вырабатывается аварийный сигнал, используемый в настоящем
предложении для управления электроприводом 12. На фиг.1 показано, что элемент 20 выполнен в виде контактов на переключение (электронных или релейных), средний из которых подключен к "земле" (нулевому проводу), а два других являются выходами 18 и 19 датчика 14 задымленности.
Примечание: если промышленно выпускаемый датчик имеет контакт на замыкание, необходимый для работы рассматриваемого варианта реализации отопительной системы контакт на переключение может быть получен путем установки дополнительного реле (реализация - очевидна).
Выходы 18 и 19 соединены электрическим кабелем (двухпроводным - см. ниже) с управляющими входами 21 и 22 электропривода 12. Вход 21 предназначен для установки затворного элемента 9 дымоходной механической задвижки 7 в состояние "закрыто", а вход 22 предназначен для установки затворного элемента 9 дымоходной механической задвижки 7 в состояние "открыто". Электропривод 12 подключен к источнику электропитания (к клеммам 23 - "земля" и 24 - "плюс"),
На Фиг.1 показано, что сенсорный канал 15 одним своим концом 25 подключен к входу 16 датчика 14 задымленности, а другим своим концом 26 подключен к дымоходному каналу 4. Сенсорный канал 15 может иметь отвод 17, который выведен на наружную сторону массива-корпуса 1 для того, чтобы ускорить процесс удаления угарного газа СО с входа 16 датчика 14 задымленности тогда, когда затворный элемент 9 дымоходной механической задвижки 7 откроет дымоходный канал 4. Для реализации предложения по п.1 формулы достаточно иметь один газоаналитический датчик задымленности и один сенсорный канал. Тем не менее, целесообразно увеличение до двух и более сенсорных каналов и до двух и более соответствующих им газоаналитических датчиков задымленности для того, чтобы затворный элемент 9 можно было открывать частично-ровно настолько, насколько это необходимо для удаления из отопительной системы угарного газа СО. Такой подход уменьшит бесполезный выход
наружу накопленного отопительной системой тепла и обеспечит ее дополнительное энергосбережение. Наращивание должно осуществляться парами "канал-датчик". Следует отметить, что указанное решение может быть реализовано при установке в отопительную систему дымоходной механической задвижки 7 плоского типа с поступательным движением вперед/назад затворного элемента 9, т.к. именно задвижка такого типа позволяет, в отличие от задвижек поворотного типа, обеспечить частичное открывание дымоходного канала 4. В рамках настоящей заявки детализация этого решения не приводится, чтобы упростить описание.
На Фиг.1 показаны два световых индикатора состояния датчика 14. Индикатор 27 зеленого цвета подключен к цепи 28 исходного состояния датчика 14 и свидетельствует о том, что дымоходная задвижка 7 - закрыта. Индикатор 29 красного цвета подключен к цепи 30 рабочего состояния датчика 14 и свидетельствует о том, что дымоходная задвижка 7 - открыта для вывода наружу угарного газа СО. образовавшегося в отопительной системе. Цепи 28 и 30 являются цепями, образованными в вышеупомянутом двухпроводном кабеле, соединяющем датчик 14 с электроприводом 12. Элемент 31 является выключателем, с помощью которого подают электропитание на электропривод 12 и световые индикаторы 27 и 29. Цепи подачи электропитания на датчик 14 не изображены, чтобы не загромождать чертеж.
Следует отметить, что электропривод 12, выполненный на базе шагового электродвигателя, требует, как это было указано выше, наличия микроконтроллера для управления его работой. Будем считать, что этот микроконтроллер входит в состав электропривода 12, в связи с чем его изображение в виде самостоятельного элемента на Фиг.1 не приведено. Очевидно, что управляющие входы 21 и 22 являются, в этом случае, входами микроконтроллера. Связи выходов микроконтроллера с обмотками шагового электродвигателя на Фиг.1 не показаны, т.к. они при данном изображении являются внутренними связями элемента 12.
Следует еще раз подчеркнуть, что ось затворного элемента 9 дымоходной задвижки 7 является продолжением вала шагового электродвигателя и с ним связана. В результате этого ось может поворачиваться по часовой стрелке или против часовой стрелки на заранее заданный программой микроконтроллера угол, обеспечивая поворот затворного элемента 9 от состояния "дымоходный канал открыт" до состояния "дымоходный канал закрыт".
Следует, кроме сказанного, обратить внимание на взаимодействие датчика 14 с микроконтроллером. Возможна различная архитектура программно-аппаратной реализации такого взаимодействия. Наиболее наглядной, на наш взгляд, является архитектура, при которой датчик 14 взаимодействует с микроконтроллером посредством формирования запросов прерывания. Для этого цепи 21 и 22 должны быть подключены соответственно к входам INT 0 и INT 1 микроконтроллера (на Фиг.1 микроконтроллер не изображен - см. Справочник "Однокристальные микроЭВМ", Издательство МИКАП, Москва, 1994 г.). Микроконтроллер обрабатывает запросы прерывания по переднему фронту инверсных сигналов на входах INT 0 и INT 1. Когда датчик 14 находится в исходном состоянии, т.е. тогда, когда накопления угарного газа СО в отопительной системе не происходит, на вход 21 (INT 0) подается от датчика 14 сигнал "лог.0", а на вход 22 (INT 1) - сигнал "лог.1". При срабатывании датчика 14 на входе 22 (INT 1) формируется в момент перехода сигнала из состояния "лог.1" в состояние "лог.0" запрос прерывания, который свидетельствует о необходимости открыть дымоходную задвижку 7 для удаления накопленного в отопительной системе угарного газа СО. При возвращении датчика 14 в исходное состояние на входе 21 (INT 0) формируется в момент перехода сигнала из состояния "лог.1" в состояние "лог.0" запрос прерывания, который свидетельствует о необходимости закрыть дымоходную задвижку 7, т.к. прекратилось накопление в отопительной системе угарного газа СО. Целесообразно в программе
обработки этого прерывания предусмотреть программную выдержку времени примерно на 1-3 минуты, чтобы существенно уменьшить частость переключения механического затворного элемента 9 дымоходной задвижки 7 и увеличить срок его службы.
Рассмотрение того, как микроконтроллер управляет работой шагового электродвигателя выходит за рамки настоящей заявки.
Из сказанного следует, что при переключении выходного элемента 20 из исходного состояния в рабочее состояние дымоходная задвижка 7 - открывается, а при переключении выходного элемента 20 из рабочего состояния в исходное состояние - дымоходная задвижка 7 закрывается.
Рассмотрим работу заявляемой отопительной системы.
Отопительная система по п.1 формулы обеспечивает газ-контроль выделения в ней угарного газа СО для предотвращения его выхода в отапливаемое помещение. Это особенно важно тогда, когда процесс горения дров в топке 2 завершается. При газ-контроле автоматически открывают путь для удаления угарного газа СО на улицу из отопительной системы через дымоходный канал 4 и трубу 11.
При газ-контроле угарного газа СО включают световые индикаторы 27 и 29 состояния процесса горения дров в топке 2 (процесс горения завершен и дымоходная задвижка 7 закрыта или процесс горения не завершен и дымоходная задвижка 7 открыта).
Рассмотрим действия пользователя.
Пользователь до растопки отопительной системы открывает дымоходную задвижку 7, после чего разжигает заложенные в топку 2 дрова. При этом выключатель 31 должен быть в состоянии "выключен". В процессе горения дров в камине контроль СО можно не осуществлять, т.к. выделяющийся при этом угарный газ СО будет выводиться вместе с дымом через дымоходный канал 4 и трубу 11 на улицу. Когда процесс горения дров завершается, пользователю следует включить элемент 31, в результате чего будет подано электропитание на электропривод 12. При
старте входящего в состав электропривода 12 микроконтроллера дымоходная задвижка 7 будет закрыта благодаря повороту вала шагового электродвигателя (например, против часовой стрелки) на программно заданный угол. В дымоходном канале начнет скапливаться дым и выделяющийся при горении дров угарный газ СО. По сенсорному каналу 15 СО вместе с дымом поступит на вход 16 газоаналитического датчика 14. Датчик 14 сработает и переключит свой выходной элемент 20 в рабочее состояние. На выход 19 будет подана "земля", которая сформирует запрос прерывания микроконтроллера. В процессе обработки этого запроса прерывания будет приведен в движение вал шагового электродвигателя, который совершит поворот (в нашем примере - по часовой стрелке) на программно заданный угол. В результате этого дымоходная задвижка - откроется. Современные газоаналитические датчики быстродействующие, и СО вместе с дымом не успеет попасть в отапливаемое помещение. После того, как дымоходная задвижка будет открыта, СО вместе с дымом будет выведен в дымоходный канал 4 и трубу 11 благодаря вновь образовавшейся тяге. Более быстрому выведению СО и дыма способствует отвод 17 сенсорного канала 15. На вход 16 датчика 14 СО перестанет поступать, датчик 14 вернется в исходное состояние и на выход 18 датчика 14 будет подана "земля", которая поступит на вход 21 микроконтроллера. Будет сформирован запрос прерывания микроконтроллера. В процессе обработки этого запроса прерывания будет приведен в движение вал шагового электродвигателя, который совершит поворот (в нашем примере - против часовой стрелки) на программно заданный угол. Дымоходная задвижка 7 вновь закроется. СО и дым начнут вновь накапливаться в дымоходном канале 4.... Возникнет состояние динамического равновесия, когда дымоходная задвижка периодически открывается и закрывается. Процесс динамического равновесия прекратится тогда, когда дрова в топке 2 прогорят полностью и угарный газ СО перестанет накапливаться в
дымоходном канале при закрытой дымоходной задвижке. В этом случае дымоходная задвижка остается закрытой, а работа шагового электродвигателя - прекращается. Накопленное при горении дров тепло не уходит на улицу.
Следует отметить, что предлагаемая отопительная система обеспечивает безопасность пользователя, когда он по неосторожности бросит в топку 2 бумагу, пачку от сигарет или хозяйственный мусор. В этом случае в отопительной системе вновь начнет накапливаться угарный газ СО и датчик 14 вновь сработает. Вновь возникнет вышерассмотренный режим динамического равновесия, который будет продолжаться до тех пор, пока не прекратится выделение СО. В отапливаемое помещение СО поступать не будет.
Таким образом, в предлагаемой отопительной системе обеспечивается как дополнительное энергосбережение, так и безопасность ее эксплуатации.