УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ВОДЫ И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА ПЛАМЕНИ В ПЛАМЕНИ В УСТРОЙСТВЕ НАГРЕВА ВОДЫ
WATER HEATING DEVICE AND METHOD FOR FLAME CURRENT MEASURING IN FLAME IN WATER HEATING DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству нагрева воды, содержащему горелку и устройство измерения силы тока пламени для измерения силы тока пламени, при этом устройство измерения содержит два электрода и источник напряжения, причем каждый из полюсов источника напряжения соединен с одним из электродов.
Изобретение также относится к способу для измерения силы тока пламени в пламени в устройстве нагрева воды.
Такое устройство нагрева воды и способ известны, например, из WO 2010/094673 A1.
В устройствах нагрева воды вода нагревается. Это обычно осуществляется за счет использования теплоты горения. Примерами являются масляные или работающие на газе бойлеры. Во время горения топлива требуется кислород, который, как правило, извлекается из окружающего воздуха. В отношении газообразного топлива, топливо и кислород или топливо и воздух, обычно предварительно смешивают, после чего смесь сгорает. Если слишком мало кислорода в смеси, будет происходить неполное сгорание. Окись углерода (СО) и другие вещества в это время выделяются. Окись углерода является токсичной и ее выделение, поэтому, всегда должно быть предотвращено. Устройства горения для бытового использования, следовательно, всегда устанавливаются таким образом, что избыточный кислород доступен, так что полное сгорание возможно. Чем больше становится избыточный кислород, тем менее эффективным является горение, так как оно требует больше энергии для смешивания топлива и воздуха или кислорода, это без горения, производящего больше энергии, но главным образом потому, что избыток воздуха без нужды нагревается, часть этого тепла улетучивается наружу с избытком через выпуск дымового газа. Устройства для горения, поэтому, обычно устанавливаются так, что избыточный кислород доступен, но этот избыток не должен быть слишком большим. Мера избытка представлена коэффициентом λ избытка воздуха, также называемого λ-показателем. Этот коэффициент представляет собой коэффициент, при котором избыточный воздух присутствует в относительно минимальном количестве, необходимом для (теоретически) достижения полного сгорания. Устройства нагрева воды устанавливаются на практике так, что коэффициент λ избытка воздуха находится примерно между 1.2 и 1.3.
В обычных устройствах нагрева воды коэффициент λ избытка воздуха регулируется механически, регулирующим газовым блоком. В более современных устройствах нагрева воды коэффициент λ избытка воздуха регулируется электронно. В тех случаях, когда механическое регулирование является прямым регулированием, которое устанавливается производителем и/или во время установки (а в некоторых случаях, впоследствии, во время технического обслуживания) инженером, электронное регулирование обеспечивает большую возможность регулирования с обратной связью.
Для целей регулирования с обратной связью, однако, должно быть выполнено измерение, дающее возможным прямо или косвенно определить коэффициент λ избытка воздуха. Используют для этого измерение, среди прочего, измерение силы тока пламени. Это измерение уже осуществляется во многих устройствах нагрева воды, как часть обнаружения пламени.
Устройства горения используют горение текучей среды, в соответствии с чем существует риск опасности взрыва, если клапан в подаче для текучей среды открыт, в то время как горение не происходит (сколь-нибудь долго), например, в результате задувания пламени. Пространство, в котором устройство горения расположено, будет в этом случае заполняться горючей или взрывоопасной текучей средой, и образование единственной искры может в этот момент иметь катастрофические последствия. Для того чтобы устранить или, по меньшей мере, уменьшить эту опасность, используется обнаружение пламени. Обнаружение пламени гарантирует, что, если пламя больше не обнаруживается, сигнал открытия на топливный клапан подавляется, в результате чего топливный клапан закрывается и не будет дальнейшей подачи топлива.
Очень распространен способ обнаружения пламени посредством ионизационного предохранительного устройства. Этот способ использует измерение силы тока пламени. Используется тот факт, что жар пламени ионизирует молекулы газа, например в воздухе.
На фиг.1 показан пример 10 такого измерения силы тока пламени. Смесь горючего газа и воздуха выпускается из горелки 20. В пламени 30 газ сгорает с кислородом из воздуха. Электрод 12 расположен в или близко к пламени 30. Источник 14 переменного напряжения соединен через конденсатор 16 или, в некоторых случаях, сопротивление к электроду 12. Другой полюс источника 14 переменного напряжения соединен с (проводящим) теплообменником 40. Это создает переменное электрическое поле над пламенем 30. В связи с ионизирующим действием пламени заряженные частицы присутствуют между электродом 12 и теплообменником 40. Небольшой ток при этом течет между электродом 12 и теплообменником 40. Проводимость, возникающая от переменного электрического поля, является, однако, неодинаковой в обоих направлениях.
На фиг.2 показана электрическая эквивалентная принципиальная схема пламени при измерении силы тока пламени, по фиг.1. Сопротивление 32 представляет составляющую тока утечки через пламя, который является одинаковым для обоих направлений тока, а сопротивление 36 представляет дополнительную составляющую тока утечки в направлении, в котором проводимость больше. Составляющая тока утечки через сопротивление 32 гораздо меньше, чем составляющая тока утечки через сопротивление 36. Диод 34 гарантирует, что эта составляющая возникает только в одном направлении. Диодный эффект гарантирует, что переменное напряжение между зажимами 18 и 19 (таким образом между электродом 12 и теплообменником 40) приобретает составляющую напряжения постоянного тока. Конденсатор 16 предусмотрен для разделения составляющей переменного напряжения и составляющей напряжения постоянного тока. Составляющая напряжения постоянного тока может быть измерена выше конденсатора 16. До тех пор, пока пламя 30 присутствует между электродом 12 и теплообменником 40, составляющая напряжения постоянного тока присутствует между зажимами 18 и 19 и измеряется выше конденсатора 16. Поэтому до тех пор, пока составляющая напряжения постоянного тока обнаруживается, ионизационное предохранительное устройство будет оставлять подачу газа в горелку 20 открытой. Однако, если составляющая напряжения постоянного тока исчезает, подача газа тогда закрывается.
Степень ионизации пламенем, тем не менее, также предоставляет информацию о полноте сгорания в пламени 30. Если коэффициент λ избытка воздуха изменяется, от максимального значения λ=1, затем записывается в измеренную силу тока пламени. Измерение силы тока пламени может, поэтому, также быть использовано для определения коэффициента λ избытка воздуха. Используя эти данные, регулятор избытка воздуха может регулировать коэффициент λ избытка воздуха.
Измеренная сила тока пламени, однако, зависит не только от коэффициента избытка воздуха. Размер пламени, расстояние от пламени до электрода 12 и до теплообменника 40 и состояние электрода 12 и теплообменника 40 (например, степень образования нагара, степень коррозии и т.п.) и другие факторы также влияют на измеренную силу тока пламени.
Вышеупомянутый документ WO 2010/094673 A1 описывает горелку, снабженную системой для обнаружения пламени и контроля газ/воздух посредством двух или более измерительных наконечников на различных расстояниях от поверхности горелки. Измерительные наконечники соединены здесь параллельно и образуют первый электрод, а горелка образует второй электрод или массу. Когда пламя горит, ток генерируется над одним из измерительных наконечников или обоими измерительными наконечниками и землей (горелкой), который измеряется в электрической составляющей и, при необходимости, усиливается. Выходной сигнал от этой составляющей идет на схему управления, которая регулирует подачу воздуха и подачу газа к горелке.
Японский документ JP 56-74519 описывает горелку с системой для обнаружения экстремального пламени, которое возникает в случае неполного сгорания. Эта система основана на двух электродах, один из которых образован теплопоглощающими ребрами на некотором расстоянии от горелки, а другой электрод (масса) образовывается горелкой. В случае неполного сгорания пламя вступает в контакт с ребрами, в результате чего генерируется постоянный ток. Этот постоянный ток подается на схему управления, которая, в конечном счете, закрывает электромагнитный клапан, в результате чего подача газа к горелке прерывается и пламя гаснет. Здесь нет упоминания о регулировании газ/воздух, а только об отключении горелки.
Наконец, система обнаружения пламени также описана в Американской публикации патента США 2010/159408 с двумя электродами, которые питаются переменным напряжением.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение измерения силы тока пламени, которое меньше зависит от вышеизложенных влияний.
В соответствии с первым аспектом изобретения эта задача достигается в устройстве нагрева воды, описанного выше типа, с теплообменником, который электрически изолирован относительно горелки, при этом горелка и теплообменник образуют электроды устройства измерения силы тока пламени.
В отличие от предшествующего уровня техники, где в дополнение к теплообменнику специальный измерительный наконечник присутствует в качестве электрода устройства измерения силы тока пламени, этот специальный измерительный наконечник опущен в данном изобретении. Это горелка, которая действует как "измерительный наконечник". Благодаря размеру горелки и теплообменника измерение силы тока пламени менее чувствительно к изменениям в расстоянии между пламенем и электродами по сравнению с чувствительностью к изменениям расстояния между пламенем и специальным измерительным наконечником по предшествующему уровню техники измерения силы тока пламени. В частности, в отношении устройств нагрева воды с относительно большой горелкой, измерение силы тока пламени становится меньше зависимым от размещения "электрода" относительно пламени за счет большой площади поверхности обоих, и горелки и теплообменника. Горелки в устройствах нагрева воды заявителя имеют ширину, изменяющуюся между 10 см и 40 см. Большая площадь поверхности горелки и теплообменника также приводит к меньшей чувствительности к отложениям на теплообменнике, например сажи, чем чувствительность специального измерительного наконечника по предшествующему уровню техники. Горелка также всегда расположена против потока относительно пламени, так что горелка имеет гораздо меньше проблем с осаждением сажи. Горелка дополнительно также охлаждается текущей газовой смесью, тогда как в предшествующем уровне техники измерительный наконечник, как правило, размещен в самом пламени.
Поскольку сила тока пламени также зависит от температуры электродов, измерение силы тока пламени в соответствии с изобретением меньше зависит от абсолютной температуры, а также меньше зависит от колебаний температуры, например в результате включения и выключения горелки. Расстояние между горелкой и пламенем дополнительно больше не зависит от изменений во время конструирования устройства нагрева воды, так как это расстояние определяется, главным образом, скоростью выпускания смеси воздух/топливо, а уже не позицией измерительного наконечника относительно горелки.
Дополнительное преимущество состоит в том, что из-за большей площади поверхности электродов, большая сила тока пламени также начинает течь. Если сила тока пламени с измерительным наконечником (WO 2010/094673 или США 2010/159408) или ребрами (JP 56-74915) в соответствии с предшествующим уровнем техники генерирует несколько микроампер, сила тока пламени в настоящем изобретении, составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч микроампер, например, около 1000 µA. Измерение силы тока пламени, таким образом, становится менее чувствительным к помехам, и менее строгие требования могут быть установлены для предварительного усилителя, который усиливает силу тока пламени до применимой величины. Существует также огромное увеличение в разрешающей способности. Существует большая разница в измеренном токе утечки в случае полного сгорания (близко к λ=1) и сгорания, которое не должным образом отрегулировано (λ<1 или λ гораздо больше, чем 1), посредством чего изменение коэффициента избытка воздуха может быть легко обнаружено.
Так как теплообменник и горелка каждый приобретают разный потенциал, они должны быть установлены электрически изолированными друг относительно друга. Типичные разности потенциалов на электродах при измерении силы тока пламени варьируются от нескольких десятков вольт (например, 30 В) до нескольких сотен вольт (например 230 В или 300 В).
Это обычно для подключения большинства нетоковедущих металлических частей устройства горения к общему потенциалу, например массе. В одном из вариантов осуществления устройства нагрева воды согласно изобретению, горелка или теплообменник заземлены.
Конструктивно простой вариант осуществления получается, когда теплообменник заземлен. Горелка может быть электрически изолирована от окружающей конструкции относительно простым способом, в то время как это практически не возможно для теплообменника.
В предпочтительном варианте осуществления устройства нагрева воды измерение силы тока пламени используется для определения коэффициента избытка воздуха при горении. В дополнительном варианте осуществления это определение коэффициента избытка воздуха в дальнейшем используется в качестве защиты от неправильно установленного горения, т.е. коэффициента λ избытка воздуха, который или меньше 1 или больше, чем 1. В еще одном варианте осуществления определение коэффициента избытка воздуха используется для цели регулирования коэффициента избытка воздуха, так чтобы коэффициент избытка воздуха всегда находился внутри диапазона чуть выше λ=1.
В дополнительном варианте осуществления устройство нагрева воды дополнительно содержит регулятор воздух/топливо для регулирования соотношения воздух/топливо, при этом регулятор воздух/топливо использует определенный коэффициент избытка воздуха для регулирования соотношения воздух/топливо. Регулятор воздух/топливо регулирует соотношение количества воздуха и топлива, которое смешивается. В дополнительном варианте осуществления регулятор воздух/топливо управляется электронно-регулируемым газовым блоком.
Еще один предпочтительный вариант осуществления устройства нагрева воды в соответствии с изобретением содержит ионизационное предохранительное устройство для закрытия подачи топлива в горелку, когда пламя не присутствует между горелкой и теплообменником, при этом ионизационное предохранительное устройство содержит устройство измерения силы тока пламени и определяет, на основе измеренной силы тока пламени, присутствует ли пламя. Благодаря большей чувствительности устройства измерения силы тока пламени в соответствии с настоящим изобретением в пределах горения пламени и меньшей чувствительности к факторам, таким как осаждение сажи на электродах и коррозия электродов (и, следовательно, большей избирательности устройства измерения силы тока пламени), достигается большая надежность ионизационного предохранительного устройства.
В дополнительном варианте осуществления устройства нагрева воды, источник напряжения прикладывает переменную разность потенциалов к двум электродам и измеряет силу тока пламени в обоих направлениях. Это не важно, по сути, в использовании переменной разности потенциалов для измерения силы тока пламени. Тем не менее, ионизационное предохранительное устройство основано на показаниях диодного эффекта пламени. Для того, чтобы в этом случае иметь возможность обнаружить различие между силой тока пламени в обоих направлениях, важно, чтобы ток был измерен в обоих направлениях и чтобы разность потенциалов, таким образом, поменяла направление.
Устройство нагрева воды может содержать газовая колонка, бойлер, котел центрального отопления, или комбинированный котел.
В еще одном варианте осуществления устройства нагрева воды, горелка имеет горелку пускового воспламенителя, и устройство содержит основную горелку, где основная горелка воспламеняется пламенем горелки пускового воспламенителя. В соответствии со вторым аспектом изобретения, предусмотрен способ измерения силы тока пламени в пламени устройства нагрева воды, содержащего горелку и теплообменник, электрически изолированный от нее, при этом способ содержит: приложение разности потенциалов между горелкой и теплообменником; и измерение силы тока, который начинает течь в результате приложенной разности потенциалов.
В варианте способ содержит дополнительный этап подключения горелки или теплообменника к потенциалу земли перед приложением разности потенциалов между ними.
Теплообменник предпочтительно соединен с потенциалом земли, а горелка электрически изолирована от окружающей конструкции, в частности от теплообменника.
Способ может дополнительно содержать этап определения коэффициента избытка воздуха на основе измеренной силы тока пламени.
В еще одном варианте способа, горелка снабжена смесителем воздуха и топлива в воздушно/топливное соотношение, а способ дополнительно содержит этап регулирования воздушно/топливного соотношения на основе определенного коэффициента избытка воздуха.
Когда приложенная разность потенциалов является переменной разностью потенциалов, способ может дополнительно содержать этапы измерения силы тока пламени в обоих направлениях, определения, присутствует ли пламя между горелкой и теплообменником установлением, что измеренная сила тока пламени в обоих направлениях не является, по существу, одинаковой, и закрытия подачи топлива в горелку, если нет присутствия пламени между горелкой и теплообменником.
Дополнительные варианты осуществления и преимущества описаны со ссылкой на фигуры, на которых:
На фиг.1 схематически показано устройство измерения силы тока пламени предшествующего уровня техники;
На фиг.2 показана электрическая эквивалентная принципиальная схема пламени в устройстве измерения силы тока пламени по фиг.1;
На фиг.3 схематически показано устройство измерения силы тока пламени в соответствии с настоящим изобретением; и
На фиг.4 показан вид в перспективе с разобранными частями устройства нагрева воды с устройством измерения силы тока пламени в соответствии с изобретением.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения содержит горелку 20 и теплообменник 40. Когда воздушно/газовая смесь течет из горелки и смесь воспламеняется, пламя 30 затем горит. Вследствие горения, горячие газы идут вдоль теплообменника 40 и отдают свое тепло ему. Теплообменник 40 содержит направляющую, например, в виде трубки 44, по которой течет вода. Холодная вода подается через подающее устройство 42. Теплообменник 40 отдает тепло воде в трубе 44, в результате чего вода нагревается. Горячая вода покидает теплообменник 40 через выпуск 46.
Горелка 20 и теплообменник 40, которые электрически изолированы друг относительно друга, образуют электроды устройства 100 измерения силы тока пламени. В показанном примере теплообменник 40 - так же, как другие не токоведущие металлические компоненты устройства нагрева воды - соединен с потенциалом земли через линию 41. Горелка 20, с другой стороны, электрически изолирована от окружающей конструкции, в частности от теплообменника 40. И горелка 20 и теплообменник 40 содержат электропроводный материал, например алюминий, медь или сталь. Теплообменник 40 содержит материал, который является теплопроводным, например алюминий, медь или сталь. Горелка и теплообменник, каждый подключены к полюсу последовательного подключения источника 14 переменного напряжения и конденсатора 16. Источник 14 переменного напряжения гарантирует, что переменное электрическое поле создается между горелкой 20 и теплообменником 40. Конденсатор 16 отделяет составляющую переменного напряжения от составляющей напряжения постоянного тока, порожденной пламенем 30.
Из-за жара горения в пламени 30 часть газов в и вокруг пламени 30 ионизируются. Под действием электрического поля между горелкой 20 и теплообменником 40 заряженные частицы будут перемещаться, и небольшой ток утечки будет протекать между двумя электродами, горелкой 20 и теплообменником 40. Величина этого тока утечки определяется, наряду с другими факторами, полнотой сгорания и, тем самым, коэффициентом λ избытка воздуха. Коэффициент λ избытка воздуха определяется на основе измерения силы тока пламени.
Поскольку источник 14 переменного напряжения генерирует переменное напряжение, электрическое поле является переменным и ток утечки является также переменным. Токи утечки не одинаковые в обоих направлениях. Следствием является то, что выше последовательного соединения источника 14 переменного напряжения и конденсатора 16 имеется переменное напряжение на зажимах 18 и 19, которое имеет сдвиг постоянного тока. (Само пламя дополнительно также действует, в некоторой степени, как слабый источник напряжения.) Эта составляющая постоянного тока может быть измерена выше конденсатора 16. Как только составляющая постоянного тока обнаруживается выше этих зажимов, это означает, что пламя есть между горелкой 20 и теплообменником 40. Сигнал на зажимах 18 и 19 передается на обычную схему (не показана) к ионизационному предохранительному устройству, где блок сравнения определяет, увеличивается ли составляющая постоянного тока выше порогового напряжения. Если это так, то пламя 30 все еще горит, и клапан подачи газа может оставаться открытым. Как только блок сравнения определяет, что составляющая постоянного тока снижается ниже порогового значения, клапан больше не приводится в действие, закрывается и газовый поток перекрывается.
Кроме того, сигнал на зажимах 18, 19 используется для регулирования соотношения газ/воздух в горелке 20. Как указано, сила тока пламени представляет свидетельство о полноте сгорания и тем самым о коэффициенте λ избытка воздуха. Коэффициент λ избытка воздуха, таким образом, может быть определен на основе обнаруженного сигнала на зажимах 18, 19, после чего регулятор воздух/топливо (не показан здесь), подключенный к клеммам 18, 19, сравнивает определенный таким образом коэффициент λ с требуемым значением коэффициента избытка воздуха. На основе этого сравнения подача топлива и/или подача воздуха регулируются так, чтобы установить желаемое соотношение воздух/топливо. На практике регулятор воздух/топливо вмешивается в систему подачи топлива, управляя газовым блоком.
На фиг.4 показано практическое воплощение устройства нагрева воды в соответствии с изобретением. Расстояние между горелкой 20 и теплообменником 40 весьма преувеличено здесь; в реальности горелка 20 расположена недалеко от теплообменника в утопленном пространстве 43, образованном имеющимися ребрами 45 теплообменника 40, выступающими относительно меньше наружу. Четко показано на фигуре, что горелка 20 имеет относительно большую площадь поверхности и продолжается по существу по всей ширине теплообменника 40. Большая сила тока пламени при этом генерируется, так что сильный сигнал будет, таким образом, присутствовать на зажимах 18, 19. Это обеспечивает надежное обнаружение пламени и устойчивый процесс регулирования соотношения газ/воздух. Обнаружение является, таким образом, также менее чувствительным к точно правильному размещению "электродов", чем в случае с измерительным наконечником. Кроме того, чувствительность к окружающим воздействиям, например, осаждению сажи, значительно уменьшилась благодаря большой площади поверхности горелки 20, действующей в качестве электрода.
Варианты осуществления, описанные выше и показанные на чертежах, являются только примерными вариантами осуществления с целью иллюстрации настоящего изобретения. Многие модификации и комбинации, показанные и описанные примерными вариантами осуществления возможны в пределах изобретения. Примерные варианты осуществления не должны, поэтому, быть истолкованы как ограничивающие.