帶有氧傳感器的熱水系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】熱水系統(tǒng)和方法，包括鍋爐，燃燒室，和容納在燃燒室內(nèi)部的燃燒器。一條管道與燃燒室流體連通，用來把燃氣引導至燃燒室中，在其中燃燒室引起燃氣燃燒。氧傳感器連接到燃燒室并固定在燃燒室內(nèi)，用來探測燃燒產(chǎn)物的含氧量。氧傳感器把能代表含氧量的數(shù)據(jù)輸出至控制單元?？刂茊卧刂茻崴到y(tǒng)的反饋控制，并且其中至少根據(jù)數(shù)據(jù)由控制單元控制燃燒室中燃氣的燃燒。換熱器系統(tǒng)連接耦合至燃燒室，在換熱器中，利用燃燒產(chǎn)物來加熱換熱器中的水。至少一個煙道，連接到耦合至換熱器系統(tǒng)，從而把燃燒產(chǎn)物引導到換熱器系統(tǒng)外。
【專利說明】帶有氧傳感器的熱水系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]對2011 年 8 月 18 日提交的名稱為 “WATER HEATING SYSTEM WITH AN OXYGENSENSOR”美國臨時專利申請序列號61/525，044進行參考，并且本申請要求該申請的優(yōu)先權及其權益，所述申請的內(nèi)容在此全部引用作為參考。
發(fā)明領域
[0003]本公開通常涉及一種熱水系統(tǒng)和該熱水系統(tǒng)的控制方法。
[0004]發(fā)明背景
[0005]在住宅建筑和商業(yè)建筑方面，有一個熱水系統(tǒng)來加熱水是必不可缺的。然而，熱水系統(tǒng)卻是復雜的，并且效率低效的。目前已知的熱水系統(tǒng)會監(jiān)控有關熱水系統(tǒng)的特性從而提高熱水系統(tǒng)性能。此類特性可以包括監(jiān)控流出系統(tǒng)中的水溫，監(jiān)控燃氣進入系統(tǒng)的速率，監(jiān)控加熱水過程中的能量消耗量，如此等等。這些熱水系統(tǒng)能夠利用這些信息來改變熱水系統(tǒng)的變量以此來優(yōu)化系統(tǒng)的輸出。
[0006]有助于優(yōu)化加熱系統(tǒng)的一個特性是加熱系統(tǒng)中燃燒產(chǎn)物的含氧量。一些加熱系統(tǒng)能夠用非色散紅外(NDIR)傳感器監(jiān)測燃燒產(chǎn)物的含氧量。NDIR傳感器是光譜設備，常用于氣體分析。然而，NDIR傳感器價格昂貴，花費將近$30，000。不幸的是，目前的加熱系統(tǒng)還不能用一種有效而且經(jīng)濟的方式來監(jiān)測燃燒產(chǎn)物的燃燒氧含量。
[0007]發(fā)明概述
[0008]工業(yè)上存在一種需求，一種更加高效的熱水系統(tǒng)及其操作方法。
[0009]根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例，熱水系統(tǒng)包括:鍋爐，包括燃燒室，和容納在燃燒室內(nèi)部的燃燒器。至少一條管道與燃燒室流體連通，用來把燃氣引導至燃燒室內(nèi)。燃燒器引燃燃氣生成燃燒產(chǎn)物。氧傳感器與燃燒室連接并定位于燃燒室中，用來檢測殘留在燃燒產(chǎn)物中的氧含量。氧傳感器輸出能代表燃燒產(chǎn)物氧含量的數(shù)據(jù)。控制單元控制熱水系統(tǒng)的反饋控制，其中控制單元接收來自氧傳感器的數(shù)據(jù)，并且其中至少根據(jù)此數(shù)據(jù)，由控制控制單元控制燃燒室中燃氣的燃燒。換熱器系統(tǒng)耦合至燃燒室，從而采用燃燒產(chǎn)物來加熱換熱器中的水。至少一條煙道耦合至換熱器系統(tǒng)，把燃燒產(chǎn)物引導到換熱器系統(tǒng)外。
[0010]根據(jù)本發(fā)明主題的另外一個方面，提供了一種控制熱水系統(tǒng)的方法，包括通過至少一條流控連接流體連通至鍋爐熱水器燃燒室的管道引導燃氣，并用容納在燃燒室內(nèi)部的燃燒器引燃燃氣生成燃燒產(chǎn)物。燃氣燃燒的含需氧量由氧傳感器來決定，氧傳感器連接耦合至燃燒室并定位于與鍋爐相鄰的燃燒室中。把能代表燃燒產(chǎn)物含氧量的數(shù)據(jù)輸出至鍋爐的控制單元，至少根據(jù)燃燒產(chǎn)物的含氧量來控制熱水系統(tǒng)的反饋控制。把燃燒產(chǎn)物從燃燒室引入換熱器系統(tǒng)，換熱器系統(tǒng)與燃燒室相連。換熱器中的燃燒產(chǎn)物加熱換熱器中的水。通過煙道把燃燒產(chǎn)物引導到換熱器系統(tǒng)外。
[0011]附圖簡述
[0012]參照下文所描述的附圖可以更好地理解本文所描述的特征。附圖不必按比例繪制，而一般是將重點放在對本發(fā)明的原理的說明上。在附圖中，貫穿各個視圖，相同數(shù)字用于指示相似零件。
[0013]圖1為根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)的透視圖；
[0014]圖2為根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)上半部分的透視示意圖；
[0015]圖3為根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)燃燒室內(nèi)部透視圖；
[0016]圖4位根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)頂部透視圖；
[0017]圖5為根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的筒形短焰低氮氧化物(NOx)網(wǎng)孔燃燒器的透視圖；
[0018]圖6提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的通過一個可視窗觀察到的燃燒室內(nèi)部透視圖；
[0019]圖7提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例，圖5所示網(wǎng)孔燃燒器的內(nèi)部透視圖；
[0020]圖8提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)頂部透視圖；
[0021]圖9提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)頂部透視圖；
[0022]圖10提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的燃燒室內(nèi)部觀察到至少一條通道的示意圖；
[0023]圖11提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例套筒內(nèi)氧傳感器的透視圖；
[0024]圖12提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)透視圖；及
[0025]圖13提供根據(jù)本發(fā)明主題的一個實施例的熱水系統(tǒng)透視圖。
[0026]發(fā)明詳述
[0027]圖1描述了熱水系統(tǒng)100的一個實施例。熱水系統(tǒng)包括控制單元101，用來反饋控制熱水系統(tǒng)100?？刂茊卧?01可以包括一臺計算機或者類似部件?？刂茊卧梢钥刂茻崴到y(tǒng)內(nèi)所有部件的協(xié)調(diào)和運作。其中一個實施例中，控制單元利用比例一積分一微分(PID)控制來優(yōu)化熱水系統(tǒng)，包括氧的控制。所公開的主題進一步包括其它合適的控制系統(tǒng)。
[0028]參考涉及到圖2，熱水系統(tǒng)100包括鍋爐熱水器200，例如但不限于冷凝式鍋爐，其可以通過控制單元101對其進行來控制它。鍋爐200可以有多種構型，包括垂直圓柱形，水平圓柱形，和矩形。圖2描述了一個垂直圓柱形鍋爐的例子。此鍋爐可以有不同的功率，t匕如，從大約50，000-到6，200, 000BTU/hr的鍋爐。另外，例如但不限于，熱水器可以有負荷調(diào)節(jié)比20: I和15:1。負荷調(diào)節(jié)比20: I表明熱水器可以在最大輸出(例如，1/20)的5%和100%之間運作，負荷調(diào)節(jié)比15: I表明鍋爐可以在最大輸出的6.7%和100%之間操作。鍋爐200可以包括多種合適的材料，包括但不限于，鑄鐵，鑄鋁和不銹鋼。一個典型的垂直圓柱形鍋爐200實例是由紐約州Blauvelt市的Aerco? International, Inc.制造
的BENCHMARK?鍋爐。其它鍋爐的例子可以在美國專利第5，881，681號；第6，435，862 號；第4，852，524 號；第 4，519，422 號；第 4，346，759 號，和第 4，305，547 號中找到，所有的內(nèi)容都包含在此。
[0029]如圖3所示，鍋爐200有多個組件，包括燃燒室400。燃燒室400包括一個密閉箱體401，密閉箱體401包括第一板402 (圖2)，相對與第一板相隔有一定距離的第二板404，和至少一個側(cè)壁406，側(cè)壁406將耦合第一板402和第二板404連接。如圖3中所描述的，第二板404可以包括一個管板。如圖4中所描述的，頂板412可以被另外添加定位固定在第一板402上,在燃燒室400的外的第一板402上。更進一步地說,頂板412和第一板402可以界定多個凹槽，從而把不同的設備連接至鍋爐，與燃燒室流體連通。這些設備可被插入凹槽內(nèi)并密封起來。
[0030]燃燒室400可以有不同的構型，包括但不限于，圓柱形和矩形。當實施例中燃燒室為圓柱形時，腔室有個彎曲的側(cè)壁406連接到第一板402和第二板404。當實施例中燃燒室為矩形時，燃燒室有四個側(cè)壁連接到第一板和第二板。
[0031]燃燒室400可以包括多種合適的材料，包括但不限于，碳鋼，不銹鋼，或非金屬耐火材料。頂板412可以包括，例如，碳鋼或不銹鋼。
[0032]鍋爐200可以進一步包括水套420和包覆燃燒室400的外殼430。如圖3所示，水套420可以定位于外殼430和燃燒室400之間，它可以冷卻鍋爐，可以加熱補給水，或者兩
者都可以。
[0033]燃燒室400接收燃氣并設計為耐燃氣燃燒。燃氣包括多種合適的氣體。例如，燃氣可以包括空氣和壓縮天然氣(CNG)的混合物。CNG的化學成份可以改變，并且這里可以考慮許多合適的成份。其中一個實施例，CNG包括甲燒，乙燒，丙烷，丁燒，戊燒，氮氣(N2)，和二氧化碳(CO2)。
[0034]引導至燃燒室400的燃氣可以和空氣預先混合。在其它一些實施例中，如圖12和13所示，燃氣和空氣分別被引導至燃燒室中。例如，空氣管道和燃氣管道單獨連接到燃燒室，從而分別輸送空氣和燃氣。在另外一個實施例中，空氣管道和燃氣管道可以被引導至一個混合室中，然后共同被引導至燃燒室中。
[0035]控制單元1 01(圖1)可以監(jiān)測空氣-燃氣比來維持燃燒過程需氧量水平。有多種設備和方法可以用來控制空氣-燃氣的混合比，在這里都是可以考慮的。一個例子中，可以進一步安裝空氣閥，空氣/燃氣閥，和/或燃氣閥，從而把空氣和燃氣引導至燃燒室400?？刂茊卧?01可以控制相應的閥來控制空氣-燃氣比。一個實施例中，控制單元101根據(jù)氧傳感器獲得的數(shù)據(jù)來控制相應的閥，如下面進一步的論證。
[0036]表1
[0037]
【權利要求】
1.一種熱水系統(tǒng)包括: 鍋爐，包括燃燒室和容納在燃燒室內(nèi)部的燃燒器； 至少一條與燃燒室流體連通的管道，用于將燃氣引導至燃燒室，其中燃燒器引燃燃氣生成燃燒產(chǎn)物； 氧傳感器，連接至燃燒室并固定在燃燒室中，用于探測各燃燒產(chǎn)物中的含氧量；其中氧傳感器輸出能代表燃燒產(chǎn)物中含氧量的數(shù)據(jù)；及 用于熱水系統(tǒng)反饋控制的控制單元，其中控制單元接收來自氧傳感器的數(shù)據(jù)，并且其中燃燒室中燃氣的燃燒至少是可以通過控制單元基于該數(shù)據(jù)控制的； 換熱器系統(tǒng)，連接至燃燒室，用燃燒產(chǎn)物加熱換熱器系統(tǒng)中的水；及 至少一個煙道，連接至換熱器系統(tǒng)，將燃燒產(chǎn)物引導到換熱器系統(tǒng)外。
2.如權利要求1所界定的熱水系統(tǒng)，其中所述燃燒室由一個封閉式箱體組成，所述封閉式箱體包括第一板，與第一板相隔一定距離的第二板，和用來連接第一板和第二板的至少一個側(cè)板。
3.根據(jù)權利要 求2所述的熱水系統(tǒng)，其中所述熱水系統(tǒng)進一步包括定位在第一板上的頂板，其中所述頂板和第一板界定出一個凹槽，氧傳感器定位于該凹槽內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求3所述的熱水系統(tǒng)，其中所述氧傳感器的一端固定在第一板界定出的凹槽里，所述氧傳感器的此端由于被嵌入凹槽而遠離流動的燃燒產(chǎn)物。
5.根據(jù)權利要求3所述的熱水系統(tǒng)，其中所述氧傳感器的一端被固定在超出第一板而朝向第二板的位置，以至于此端與流動的燃燒產(chǎn)物直接接觸。
6.根據(jù)權利要求3所述的熱水系統(tǒng)，其中所述氧傳感器固定在相鄰于燃燒器的燃燒室中。
7.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述燃燒器連接至第一板，并包括一個筒形短焰低氮氧化物(NOx)網(wǎng)孔燃燒器。
8.根據(jù)權利要求7所述的熱水系統(tǒng)，其中所述第一板界定出的凹槽使至少一條管道與燃燒室流體連通，其中通過凹槽，燃氣從至少一條管道流動到筒形短焰低氮氧化物(NOx)網(wǎng)孔燃燒器的內(nèi)部。
9.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述燃燒器進一步由水套和外殼組成，所述外殼包覆在燃燒室上，所述水套定位于所述外殼和所述燃燒室之間。
10.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述熱水器進一步包括風機設備，用來將燃氣吹進燃燒室中。
11.根據(jù)權利要求10所述的熱水系統(tǒng)，所述所述控制單元根據(jù)氧傳感器的數(shù)據(jù)控制所述風機設備來改變或維持燃氣進入燃燒室的速率。
12.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，所述燃氣包含混合組份，基于來自氧傳感器的數(shù)據(jù)，所述控制單元改變氣體組份的比率。
13.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述控制單元將來自氧傳感器的數(shù)據(jù)與熱水系統(tǒng)反饋控制的預定值進行比較。
14.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述換熱器系統(tǒng)包括一個火管。
15.根據(jù)權利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述換熱器系統(tǒng)包括一個水管。
16.一種熱水系統(tǒng)的控制方法，步驟包括:通過至少一條與鍋爐燃燒室流體連通的管道引導燃氣； 用包覆在燃燒室內(nèi)部的燃燒器引燃燃氣從而生成燃燒產(chǎn)物； 采用氧傳感器檢測燃燒產(chǎn)物的含氧量，所述氧傳感器連接至燃燒室并固定在燃燒器附近的燃燒室內(nèi)； 輸出能代表燃燒產(chǎn)物氧含量的數(shù)據(jù)至熱水系統(tǒng)的控制單元； 至少響應來自氧傳感器的數(shù)據(jù)來控制熱水系統(tǒng)的反饋控制； 把燃燒產(chǎn)物從燃燒室引入換熱器系統(tǒng)，所述換熱器系統(tǒng)連接至燃燒室； 采用換熱器系統(tǒng)中的燃燒產(chǎn)物加熱水；并把燃燒產(chǎn)物通過煙道引導到換熱器系統(tǒng)外。
17.如權利要求16所述方法，其中所述檢測燃燒產(chǎn)物氧含量的步驟以及輸出能代表燃燒產(chǎn)物的含氧量的數(shù)據(jù)步驟發(fā)生在小于I秒的時間段內(nèi)。
【文檔編號】F23N1/02GK103842726SQ201280040168
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年3月1日 優(yōu)先權日:2011年8月18日
【發(fā)明者】杰拉爾德·A·菲奧里迪, 哈坎·比昂遜 申請人:熱高國際公司