專利名稱：用于調節加熱器循環以提高通風加熱系統效率的裝置的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及在產生加熱介質(空氣)的過程中消耗礦物燃料(氣體／石油)的裝置，加熱介質用于加熱需要進行溫度控制的環境(空間)的區域。
本發明的目的是減少負責產生被分布到將要加熱的整個空間的加熱介質的加熱系統的燃料消耗。實現燃料的減少必須不能具有導致在被控制的環境中溫度波動的不利影響，而在安裝本發明的裝置之前，這種影響是存在的。
本發明的背景技術使用燃燒氣體或石油的燃燒器作為加熱加熱介質(空氣)的裝置的通風加熱系統常常包括如下組件a)自動調溫器，用于檢測所需空間內的溫度并啟動爐子的燃燒器。
b)燃燒器，用于產生火焰和高溫氣體。
c)熱交換器，該裝置用于將火焰和高溫氣體的溫度傳遞給加熱介質(空氣)。
d)加熱介質分布裝置，通常是管道系統。
e)回風扇，用于強制加熱介質通過分布裝置。
f)在被控制的環境中具有熱質和慣性的物品。
一個典型的住宅通風加熱系統常常以如下方式加以控制當空間中需要熱量時，空間自動調溫器需要熱量而直接使燃燒器通電。一旦在爐子的熱交換器內達到某一溫度，空氣循環風扇采用它自己內裝的自動調溫器獨立地起動。空氣循環風扇強制加熱介質通過分布裝置并使被控制的空間內熱量增加。當達到所需的空間溫度設定點時，空間自動調溫器使燃燒器斷電。空氣循環風扇繼續運轉直到熱交換器內的溫度降到某一溫度(通過安裝在熱交換器的自動調溫器內的組件來設定)。上述控制流程被反復進行，以控制空間溫度。在一般的商業(屋脊頂爐子)應用中，空氣循環風扇可以連續地運轉。
關于加熱系統，通常所知的是，加熱系統的輸出能力常常是由以下決定的a)系統預期遇到的最差的殼體方案(設計負荷)。
b)設備的平方英尺和其它建筑因素。
c)預期的將來擴大。
d)由于老化導致的系統輸出的預期降低。
在對加熱系統的需要小于系統的加熱能力的任何時候，加熱系統是過大的。在通常合適的設計系統中，過大狀態存在在大約85％的過程中，并導致加熱系統使燃燒器循環而作為控制所需空間內的溫度的裝置。
試驗顯示，無論燃燒器燃燒多長時間，從爐子中排出的空氣的溫度具有一個所達到的最終(最大)溫度。無論任何時候，爐子在小于最大設計負荷下使用時，最終溫度將被達到并且是由于熱交換器不能將火焰和高溫氣體產生的總熱量傳遞到加熱介質而導致的。熱交換器不能將火焰和高溫氣體產生的總熱量傳遞到加熱介質部分地是由于熱交換器本身無效率，部分地是由于加熱介質不能吸收燃燒器能夠產生的所有熱量。在最終溫度期間，保持燃燒器燃燒不具有效果并且造成浪費，因為未被加熱介質吸收的熱量通常通過煙道系統作為高溫氣體被排出。
試驗還證明，在熱交換器中可以利用輔助熱能量。該能量可在(通過本發明產生的)燃燒器相對短的周期過程中被利用，以保持充分的加熱排出空氣溫度。
通過智能地使燃燒器在該“最終溫度”附近循環并通過利用從熱交換器獲取的可利用的輔助熱量，可實現節省燃料，同時保持相同的空間溫度條件。
在被控制空間中的物品的熱慣性和熱容量被用作某種電容器(capacitor)，以吸收任何短期的熱轉換。
試驗還顯示，盡管使燃燒器在熱交換器的最終溫度附近循環可以減少燃料，但對本發明來說必須不使排出空氣的溫度降得太低。太低是指這樣一個溫度，在該溫度下沒有足夠可利用的熱能量以對空間進行加熱，或在該溫度下在加熱指令(call)過程中空氣循環風扇將不利地停止。通過本發明將不會使這種情況發生。
本發明的目的本發明通過改進和控制燃燒器循環來尋求減少通風(爐子)加熱系統的燃料消耗。重要地注意到，本發明將連同加熱系統的控制裝置(自動調溫器)一起工作，并且不導致燃燒器燃燒，除非具有由加熱系統的控制裝置發出的這樣作的特定指令。
本發明能夠確定熱交換器的最終溫度以及施加到熱交換器上的負荷。該數據可被本發明的計算機程序利用來修改燃燒器的循環，以便最大效率利用轉換成熱能量的燃料。
這是通過利用本發明設置的并作為整體一部分的一個傳感器檢測排出空氣的溫度來實現的。溫度信息由本發明中的計算機程序處理并間接地導致燃燒器循環的所有修改。本發明具有確定熱交換器最終溫度的能力，并隨后根據在燃燒器的一個接一個的循環上獲得該最終溫度所花費時間，確定加熱系統上的負荷。當加熱系統上的負荷被確定時，本發明所允許的溫度下降量也將從一個燃燒器循環到另一循環變化，以實現控制燃燒器的最理想和有效的方式。
因此，本發明希望是能夠用于住宅、商用、或工業(自動調溫器)所需類型控制系統中的節能裝置。本發明將適合新的、改進的和最初的裝備制造商(OEM)的設備。本發明也將是易于安裝的并且不需要編制程序或進行調節。
附圖簡述
圖1是一個系統圖，顯示了在一個典型的通風(爐子)加熱系統中的本發明。
圖2是一個線路圖，顯示了安裝在加熱系統線路中的本發明。
圖3是本發明的控制盒的電子示意圖。
圖4是三個圖形的疊加，同時顯示了具有和不具有本發明的加熱系統特性曲線。
本發明的詳細描述現有技術圖1顯示了一個由總體以標號4表示的通風加熱系統加熱的住宅2，加熱空間以標號6表示。通風加熱系統4的現有組成包括一個空氣入口10，空氣8和12通過該空氣入口由回風扇或送風機16吸進吸入管14。在商用設施或建筑物中，通風是一個重要的因素，回風扇16可以總是保持運轉，但在住宅設施中，回風扇16通過熱交換自動調溫器18來起動。空氣20由回風扇16排入熱交換器22中，在這里，燃燒器24加熱熱交換器22，空氣20在壓力作用下作為排出空氣26通過輸出管28和輸出口30，直到空氣32排入空間6中。
通常，優選地為低電壓的電源34給一個諸如房間自動調溫器36的空間能量傳感器供電，空間能量傳感器檢測房間6的溫度，如圖4底部的曲線所示。一般地，該自動調溫器使得在例如燃燒器接通溫度68℃(圖4中的53)和燃燒器關掉溫度72℃(圖4中的54)之間有一確定的溫滯(hysteresis)。
回到圖1，當空間溫度位于燃燒器燃燒范圍內(圖4中T1和T7之間的底部曲線)，導體38和42給燃燒器24供電。空氣通過入口42吸入爐膛44中，空氣在爐膛中支持燃燒器24的燃燒。廢氣排入煙道46并從煙囪48排出。
火焰50加熱空氣20和熱交換器22，直到空氣20達到如圖4所示的最小回風扇接通溫度52。這可以避免在熱交換器22被充分地加熱以提供溫暖舒適的空氣之前抽吸空間6周圍的冷空氣。一旦熱交換器達到一個充足的回風扇接通溫度(圖4中的52)，自動調溫器18(圖1)從電源58提供動力并閉合電路以起動回風扇16，回風扇驅動空氣26通過輸出管28，空氣26在這里作為溫暖空氣32排入空間6中。
只要由傳感器18檢測的熱交換器空氣溫度(圖4中的T2和T8之間的曲線)保持在最小回風扇停止溫度(圖4中的頂部曲線56)之上，回風扇將保持運轉。燃燒器繼續燃燒直到房間6(圖1)的溫度達到自動調溫器最大值54(圖4)，在該溫度，自動調溫器36中斷從電源34到燃燒器24的電流，使火焰50熄滅。但是，熱交換器22仍是熱的，回風扇16繼續運轉，直到由傳感器18檢測的溫度降到如圖4所示的最小回風扇運轉溫度56之下。
本發明本發明包括一個控制箱62，控制箱位于導體38和40之間并與輸出空氣溫度傳感器64相連接，輸出空氣溫度傳感器檢測空氣26排出熱交換器22時的溫度。電源66和接地線68完成通向控制箱62的線路。
如圖4所示，在標明沒有發明的曲線中，一個來自自動調溫器36的指令立即導致燃燒器接通。輸出空氣(圖1中的26)通過對流開始稍微加熱，直到熱交換器傳感器18達到它的回風扇接通溫度，回風扇16在該溫度從停止狀態到在(圖4中)T2的運轉狀態。輸出或排出的空氣溫度開始升高，但最終在T3達到平穩狀態，超過T3不再加熱。這是溫度的最大值，在該溫度時，熱交換器的熱量已經使通過熱交換器的空氣吸收熱量的能力達到飽和。這樣，在從T3到T7的整個時間內，圖1的燃燒器24產生熱量，使得熱交換器的溫度升高到超出它能夠使通過它的空氣溫度增加的溫度值。這浪費了能量。燃料被消耗了，而在空氣20、26和30(圖1)的溫度方面沒有任何相應的效果。
如圖4所示，在標明具有發明的曲線中，輸出空氣溫度傳感器64(示于圖1中)監測排出空氣26的溫度。在圖4中，由于具有本發明，燃燒器在T1接通并在T2保持接通，升高排出空氣的溫度，回風扇在時間T2接通。在T3之前，排出空氣達到Tmax，Tmax可以通過以前的校準或優選地通過以下步驟來確定多次測量從熱交換器排出的空氣的溫度；記錄第一起始時間T1，燃燒器在時間T1接通；在燃燒器接通之后觀測溫度測量值；當排出空氣在傳感器64的測量值的兩個或多個連續溫度基本上相同時，開始一個確認時間間隔；在確認時間間隔過程中或結束T3時觀測排出空氣溫度測量值。
如果在確認時間間隔過程中，溫度升高，系統將繼續觀測連續的溫度測量值，直到兩個或多個溫度相同。
如果在確認時間間隔結束時觀測并且不相同，除去開始的確認時間間隔，并繼續連續觀測。
如果在確認時間間隔過程中溫度已經保持在Tmax的平穩狀態，燃燒器將在T3關掉。這樣，燃燒器不再試圖將熱交換器22加熱到超過其最大熱傳遞能力。因而，對于在T3和T4之間的整個中斷時間間隔來說，燃料被節省了。
在T5到T6的中斷時間間隔以及再次在T7到T8的中斷時間間隔中，循環重復進行，到該時間時，房間6的溫度已經超過了在圖4中的發出自動調溫器燃燒器指令的最大溫度54，并且自動調溫器36終止其燃燒器指令。該循環將隨著每個燃燒器指令重復地進行。
理想地是限制排出空氣溫度降低，以保持回風扇運轉和維持有用的熱量輸出，通常是110華氏度。
因此，校準控制箱62有助于通知它在輸出空氣能量傳感器64的什么溫度下回風扇16停止。為了進行這種校準，一個安裝工必須通過調節自動調溫器36啟動燃燒器指令；等待熱交換器22充分地加熱以導致回風扇16接通；等待燃燒器指令終止；等待熱交換器22的溫度充分地降低，以便在自動調溫器18達到回風扇16的關掉溫度；按壓控制箱62上的校準按鈕70；當回風扇16關掉時，通過輸入與輸出空氣26的溫度相應的輸出空氣能量傳感器值，從而校準控制箱。
已經如此校準了圖4中的回風扇關掉溫度56之后，當排出空氣溫度位于Tmax和Tmin之間的中間值時，可以通過在T4重新起動燃燒器以保持排出空氣溫度位于Tmin之上。
但是，本發明的優選方法是測量熱交換器在T2和T3之間的熱慣性，并從而推斷何時在T4停止燃燒器的中斷。
我們將定義在T2和T3之間的時間作為耗用時間。耗用時間可以在T1之后的任何時間開始計算，但優選地是在T2開始計算耗用時間，因為回風扇的接通在T2和T3之間建立了溫度增加與熱交換器熱慣性之間更加線性的關系，它更具有重現性并更加獨立于外界的影響。因此，在權利要求1的第5行，“在燃燒器接通時記錄一個第一起始時間”使用“在(at)”的字典定義“位于或接近(on or near)”。我們這里定義“接近”為至少延伸到回風扇接通時間并且優選地基本上與回風扇接通時間一致。當然，如果回風扇總是接通的，“在”將是在或接近燃燒器接通時的某一時間間隔。熱交換器22具有的熱慣性越大，在T3之后的排出空氣溫度接近Tmin所花費的時間越長。
時間間隔顯然與房間6的熱負荷無關。燃燒器關掉的時間間隔T3-T4和T5-T6顯然是可重現的，而無須進一步參照排出空氣溫度。一旦耗用時間T2-T3是已知的，T3-T4顯然將和T5-T6一致，即使T5-T6被當作T4-T5的一個百分數。
這樣，燃燒器中斷時間間隔可在每個循環或每個燃燒器指令時被校準。
中斷時間間隔T3-T4因此理想地是從T2至T3的耗用時間的函數。優選地，該函數是耗用時間的一個百分數。最佳地是，該函數在20％的臨界值是最優化的。
可替代地是，中斷時間間隔可通過溫度測量值進行控制，在該溫度測量值下，排出溫度Tp等于25減去以秒為單位的耗用時間的平方根。Tp是以華氏度進行測量的。最小Tp大于或等于零。
作為第三種選擇，一旦回風扇關掉溫度已經被記錄下來，一個溫度余量(margin)可被加到回風扇關掉溫度上，溫度余量和回風扇關掉溫度的和是中斷時間間隔終止溫度。
因此，如果輸出空氣溫度在中斷時間間隔過程中低于中斷時間間隔終止溫度，本發明將結束中斷時間間隔。
圖2顯示了如何將本發明的控制箱62接入典型的爐子燃燒器電路中。60Hz的電源66通過高壓(hot)導線72、以及主爐子開關74供電，在主爐子開關74的轉換側連接到黑色導線76上，黑色導線76連接到控制箱62上并向其提供高壓電力。
白色導線78和白色／黃色導線80在連接處68連接在動力中性線上。在自動調溫器36的黑色導線76的另一側，導線38被斷開并連接到黃色導線82上，它作為紅色導線84從黃色導線返回并連接到導線40上，并通過燃燒器保險裝置86連接到燃燒器24上。
圖3顯示了控制箱62內的電路。電力在高壓側通過黑色導線76來供給，而在中性側通過白色導線78來供給。它們在變壓器88處被轉換并通過環狀二極管90被整流，在這里它們通過電力調節元件91、92和93被傳送到輸出端在位置96和98作為控制箱電源，位置96是+5V，而位置98是接地的。處理器100優選地是一個微處理器，在這種情況下是16C556，但也可以是任何功能相同的等價物，它接受來自溫度傳感器64的輸入信號。白色／黃色導線80提供230、115或24V的電源給隔離器102，隔離器102提供一個能夠發出寬范圍電壓輸入信號的傳感器，以處理常常使用在自動調溫器上的許多不同電壓。通常這是變化的，使得電壓位于12V和240V之間。開關電路104對微處理器100的命令作出反應，如上所述，以接通或切斷在自動調溫器的轉換電源黃色導線82和紅色導線84之間的連接。
權利要求
1.一種用于調節通風加熱系統中的循環的方法，該通風加熱系統具有一個燃燒器、一個熱交換器和一個回風扇，所述方法包括如下步驟多次測量從熱交換器排出的空氣的溫度；在燃燒器接通之后觀測多次測量的溫度測量值；當多次測量的兩個連續溫度測量值基本上相同時，開始一個確認時間間隔；觀測在確認時間間隔結束時多次測量中的一個溫度測量值；如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上與兩個連續溫度測量值相同時記錄所述相同溫度測量值作為一個穩定狀態溫度；以及中斷燃燒器的燃燒一段中斷時間間隔；所述中斷時間間隔不足以使熱交換器的溫度降到一個有用值之下。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，中斷時間間隔是通過如下步驟來確定的記錄一個第一起始時間；記錄一個第一停止時間；以及確定從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間；所述中斷時間間隔是從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間的一個函數。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，第一起始時間在燃燒器接通之時或在燃燒器接通之后。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，第一起始時間在回風扇接通之時。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上不同于兩個連續溫度測量值時進一步觀測多次測量的溫度測量值；當多次測量的兩個連續溫度測量值基本上相同時，開始一個確認時間間隔；觀測在確認時間間隔結束時多次測量中的一個溫度測量值；如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上與兩個連續溫度測量值相同時記錄一個第一停止時間；確定從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間；記錄所述相同溫度測量值作為一個穩定狀態溫度；中斷燃燒器的燃燒一段中斷時間間隔；所述中斷時間間隔是從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間的一個函數。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在中斷時間間隔之后，進一步包括如下步驟在燃燒器接通的一個新的時間之時，記錄一個新的第一起始時間；當多次測量的新的兩個連續溫度測量值基本上相同時，開始一個新的確認時間間隔；觀測在新的確認時間間隔結束時多次測量中的一個新的溫度測量值；如果在新的確認時間間隔結束時的新的溫度測量值基本上與新的兩個連續溫度測量值相同時記錄一個新的第一停止時間；確定從新的第一起始時間到新的第一停止時間的新的耗用時間；記錄所述相同的新的溫度測量值作為一個新的穩定狀態溫度；中斷燃燒器的燃燒一段新的中斷時間間隔；所述新的中斷時間間隔是從新的第一起始時間到新的第一停止時間的新的耗用時間的一個函數。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上不同于兩個連續溫度測量值時進一步觀測多次測量的溫度測量值；當多次測量的兩個連續溫度測量值基本上相同時，開始一個確認時間間隔；觀測在確認時間間隔結束時多次測量中的一個溫度測量值；如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上與兩個連續溫度測量值相同時記錄一個第一停止時間；確定從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間；記錄所述相同溫度測量值作為一個穩定狀態溫度；中斷燃燒器的燃燒一段中斷時間間隔；所述中斷時間間隔是從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間的一個函數。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該函數是耗用時間的一個百分數。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該百分數在大體上為20％時最優化。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該函數是一個從耗用時間得出的溫度值。
11.如權利要求11所述的方法，其特征在于，溫度值優選地為0≤Tp=25-Lt1／2其中Tp是以華氏度為單位的優選溫度值；以及Lt是以秒為單位的耗用時間。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括如下步驟確定一個回風扇在該溫度下關掉的空氣輸出溫度，以確定一個回風扇關掉溫度；記錄所述回風扇關掉溫度；將一個溫度余量加到回風扇關掉溫度上，其總和是一個中斷時間間隔終止溫度。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，如果輸出空氣溫度在中斷時間間隔過程中低于中斷時間間隔終止溫度，就結束中斷時間間隔。
14.一種用于調節通風加熱系統中的燃燒器運行循環的裝置，所述裝置包括用于檢測從熱交換器輸出的空氣的溫度的傳感器裝置；電子電路裝置，該電子電路裝置用于在燃燒器接通時，記錄一個第一起始時間；監測傳感器裝置；當多次測量的兩個連續溫度測量值基本上相同時，開始一個確認時間間隔；觀測在確認時間間隔結束時的一個溫度測量值；如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上與兩個連續溫度測量值相同時記錄一個第一停止時間；確定從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間；記錄所述相同溫度測量值作為一個穩定狀態溫度；中斷燃燒器的燃燒一段中斷時間間隔。
15.一種通風加熱系統，該通風加熱系統具有一個燃燒器；一個熱交換器；一個熱交換器空氣輸出裝置；一個空間能量值傳感器；一個熱交換器能量值傳感器；一個循環空氣泵；其改進包括用于檢測從熱交換器輸出的空氣的溫度的傳感器裝置；電子電路裝置，該電子電路裝置用于在燃燒器接通時，記錄一個第一起始時間；監測傳感器裝置；當多次測量的兩個連續溫度測量值基本上相同時，開始一個確認時間間隔；觀測在確認時間間隔結束時的一個溫度測量值；如果在確認時間間隔結束時的溫度測量值基本上與兩個連續溫度測量值相同時記錄一個第一停止時間；確定從第一起始時間到第一停止時間的耗用時間；記錄所述相同溫度測量值作為一個穩定狀態溫度；中斷燃燒器的燃燒一段中斷時間間隔。
16.如權利要求15所述的加熱系統，其特征在于，所述改進用作一種裝置，該裝置用于減少由空間能量值傳感器發出指令的每個期間的燃燒器運行時間，從而減少燃料的使用。
17.如權利要求15所述的加熱系統，該加熱系統進一步具有由用于從空間能量值傳感器進行傳導的裝置控制的燃燒器，其改進包括用于檢測來自空間能量值傳感器的信號的裝置；以及一個在傳導裝置中由電子電路裝置控制的開關斷路器。
18.如權利要求15所述的加熱系統，其特征在于，信號檢測裝置是一個具有寬電壓輸入范圍的裝置。
19.如權利要求18所述的加熱系統，其特征在于，寬電壓輸入范圍位于24VAC和240VAC之間。
20.如權利要求19所述的加熱系統，其特征在于，信號檢測裝置包括一個光隔離器。
21.如權利要求15所述的加熱系統，其特征在于，電子電路裝置包括一個微處理器。
全文摘要
一種用于調節通風加熱系統中的燃燒器循環的方法和裝置。控制組件利用在熱交換器輸出端的傳感器測量從熱交換器輸出的空氣溫度。在燃燒器接通之后,控制組件觀測溫度測量值。當兩個連續溫度測量值相同時,它開始一個確認時間間隔。如果在確認時間間隔結束時的溫度與兩個連續溫度測量值相同,中斷燃燒器的燃燒一段中斷時間間隔。中斷時間間隔不足以使熱交換器的溫度冷卻到使回風扇將關掉的溫度之下。
文檔編號F24D3/00GK1294671SQ99804379
公開日2001年5月9日 申請日期1999年3月25日 優先權日1998年3月25日
發明者杰克·哈默 申請人:因特利達因公司