Патент на изобретение №2256856

(54) АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО БЕЗОПАСНОСТИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ГАЗОВОГО КОТЛА (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Устройство предназначено для автоматических газовых водонагревателей (АГВ) различных строений – жилых, служебных, складов, теплиц и помещений для животных, а также систем управления газовым нагревом. Изобретение направлено на сбережение газа, повышение надежности серийной отечественной модели нагревателя и упрощение его эксплуатации. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла содержит блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем. Блок предохранительного клапана с датчиком пламени выполнен пневматическим, термостат помещения выполнен электронным с электроприводом вентиля, датчики тяги и температуры теплоносителя выполнены электрическими и связаны по схеме ИЛИ с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения. Изобретение также содержит автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, содержащее блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем, в котором датчик тяги выполнен электрическим и связан с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, датчики пламени и температуры теплоносителя выполнены пневматическими и соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к автоматическим газовым котлам, водонагревателям (АГВ) и может быть использовано также в автоматизированных системах нагрева с жидким топливом различных строений.

Известные автоматические газовые нагреватели [1. Аппарат отопительный газовый бытовой АОГВ-23,2-1-У ГОСТ 20219-74. Руководство по эксплуатации. ОАО Жуковский машиностроительный завод, г. Жуковский. 1998; 2. Стаскевич Н.Л. и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра. 1990. С.351-360], содержат излишнее количество функциональных газовых клапанов (3 клапана), требующих наладки и регулировки как на заводе-изготовителе, так и у потребителя, и отсюда недостаточно надежную автоматику газового нагревателя.

Известные водонагреватели не решают вопрос уменьшения затрат энергоносителей (газа) для нагрева помещения и при его применении все еще остаются значительными затраты времени на перенастройку заданий и управление регулятором температуры воды в теплообменнике. Наличие большого количества клапанов, включенных последовательно на газовом тракте питания основной горелки, ведет к большому перепаду давления и существенному ограничению расхода газа особенно при минимально допустимом давлении газа на входе в АГВ (650 Па), приводящему либо к отключению АГВ, либо к заметному ухудшению комфорта в отапливаемом помещении, а также к снижению вероятности безотказной подачи газа к основной горелке (ОГ).

Для уменьшения затрат энергоносителей и повышения комфортности в отапливаемом помещении было предложено техническое решение [3. Авторское свидетельство СССР №1721397 А1, кл. F 23 N 5/00, опубл. 23.03.92. Бюл. №11]. Однако известное устройство имеет недостаточную надежность и ресурс при эксплуатации. При его работе, кроме подачи газа, требуется еще и внешнее электропитание для работы реле времени и катушки электромагнита. Так же, как и в [1], последовательно на газовом тракте основной горелки расположен предохранительный (отсечной) клапан, обеспечивающий запуск и отсечку газа на ОГ и ЗГ горелки.

Частичное устранение недостатков достигается в [4. Свидетельство на полезную модель № RU 5441, опубл. 16.11.97. Бюл. №11], принятом за прототип. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла содержит блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем.

Недостатками этого устройства являются невозможность автоматического задания недельных и суточных режимов отопления; последовательное включение помимо предохранительного клапана регулирующих клапанов, один из которых связан с регулятором по температуре воды в котле или системе отопления, другой – с регулятором температуры помещения, увеличивающих потерю давления газа по пути к основной горелке из-за большого гидравлического сопротивления всего газового тракта от входа в блок автоматики до основной горелки.

Далее в известном устройстве [4] регулятор температуры воды в теплообменнике фактически выведен из диапазона регулирования по температуре воды путем его настройки на аварийный режим. Поскольку при последовательном включении в линию газового тракта двух клапанов возможны режимы работы, когда один клапан, например связанный с регулятором по температуре воды, полностью перекрывает подачу газа к основной горелке. Второй клапан в это время будет работать вхолостую, т.к. замкнутые контуры регулирования по температуре воды и по температуре помещения имеют различные постоянные времени для вывода выходной координаты (регулируемого параметра – температуры воды или помещения) в равновесное состояние.

При нарушении равновесного теплового режима в помещении сигналы на изменение температуры в помещении поступают на регулятор температуры помещения, датчик которого посылает сигнал для его отработки контуром управления, через температуру воды в обратной магистрали. Если сигнал от датчика температуры контрольного помещения непосредственно передается в контур управления сразу на исполнительный орган для изменения расхода газа, то сигнал по температуре воды в обратной магистрали проходит более длинный путь – преобразования в нескольких дополнительных звеньях контура регулятора по температуре воды. Это звено суммирования значений температуры по всем ветвям обратной магистрали и получения ее среднего значения в емкости нагревателя.

На эти преобразования сигнала требуется дополнительное время, увеличивающее общую постоянную время передачи сигнала. Только теперь этот сигнал передается через импульсную трубку на исполнительный орган для изменения расхода газа. Однако в этой схеме только сигнал, превышающий максимальный по температуре задания (более 90-95°С) и поступающий в элемент сравнения, приведет регулятор температуры воды в действие и отключит подачу газа, поскольку намечается аварийная ситуация. Быстродействие контура с датчиком по температуре помещения более вероятно, т.к. в контуре отсутствуют дополнительные преобразующие звенья, оставшиеся же звенья в контурах по температуре помещения и воды имеют примерно одинаковый порядок постоянных времени переходного процесса.

Таким образом, при наличии двух регуляторов, материализованных в виде некоторой конструкции блока автоматики с определенной стоимостью, функционирует только один регулятор – регулятор по температуре помещения. Это не увеличивает надежность эксплуатации всего нагревательного аппарата АГВ.

Кроме того, существует неуправляемый процесс работы аппарата при закрытом клапане водяного термостата, когда отдача тепла от объекта менее притока тепла от аппарата. А также при падении давления в системе магистрального газоснабжения АГВ, приводящем к ухудшению параметров эксплуатации не только основной горелки водонагревателя, но и всего аппарата в целом (уменьшение ресурса ОГ, перегрев объекта отопления, перерасход энергоносителя, отсутствие энергосбережения в этом режиме и др.).

Так, например, в аппарате АОГВ – 23,2 предусмотрен неуправляемый режим “малого огня”, при котором газ через сквозное отверстие в седле закрытого регулирующего клапана проходит к основной горелке. При давлении в газовой магистрали ниже допускаемой границы нарушается устойчивость режима малого огня (возможно перемещение факела огня в нерабочую зону основной горелки АОГВ с негативными последствиями для горелки и выходу из строя аппарата в целом).

Для устранения отмеченных выше недостатков предлагается:

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, содержащее блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем, у которого блок предохранительного клапана с датчиком пламени выполнен пневматическим, термостат помещения выполнен электронным с электроприводом вентиля.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, содержащее блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем, у которого блок предохранительного клапана с датчиком пламени выполнен пневматическим, термостат помещения выполнен манометрическим.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, у которого датчики тяги и температуры теплоносителя выполнены электрическими и связаны по схеме ИЛИ с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, у которого датчик тяги выполнен электрическим и связан с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, датчики пламени и температуры теплоносителя выполнены пневматическими и соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, у которого датчик температуры теплоносителя выполнен электрическим и связан с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, датчики пламени и тяги выполнены пневматическими и соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, у которого дополнительно введен пневматический датчик тяги, электрические датчики тяги и температуры теплоносителя связаны по схеме ИЛИ с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, пневматические датчики пламени и тяги соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, у которого дополнительно введен пневматический датчик температуры теплоносителя, электрические датчики тяги и температуры теплоносителя связаны по схеме ИЛИ с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, пневматические датчики пламени и температуры теплоносителя соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

– Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, у которого дополнительно введены пневматические датчики тяги и температуры теплоносителя, электрические датчики тяги и температуры теплоносителя связаны по схеме ИЛИ с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, пневматические датчики тяги, пламени и температуры теплоносителя соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

Отсутствие в газовой магистрали основной горелки регулирующего клапана по температуре воды теплообменника значительно упрощает конструкцию блока автоматики, улучшает характеристики газового тракта в линии основной горелки – уменьшается требуемый перепад давления, повышается надежность блока в целом из-за отсутствия подвижных механических деталей, требующих периодической смазки и узла уплотнения затвора клапана, уменьшается стоимость блока автоматики. Наличие аварийного датчика температуры воды и защитного термостата, включенного в цепь электропитания электропривода вентиля термостата помещения, повышает надежность и безаварийность работы всего газового котла. Функции “малого огня” переданы вентилю термостата помещения или отсутствуют.

Кроме того, автоматика газового котла обеспечивает более надежное по сравнению с прототипом аварийное отключение подачи газа на основную горелку при превышении допустимой температуры теплоносителя или отсутствии тяги в дымоходе и превышении температуры отходящих газов. Это происходит за счет перевода схемы аварийного отключения газовой магистрали от предохранительного клапана (например, фиг.3) в цепь электропитания электропривода на закрытие затвора и отключения подачи газа на основную горелку с помощью вентиля термостата помещения. При этом запальная горелка остается работоспособной и готовой подать свой горящий факел на основную горелку для включения ее в работу, например, при понижении температуры в теплообменнике ниже допустимой.

Таким образом, осуществляется функция защитного термостата по температуре теплоносителя и термостата по температуре отходящих газов сгорания для датчика тяги.

Предлагаемые варианты автономной автоматики, датчики которой работают на разных физических принципах, позволяет увеличить надежность работы газового нагревателя при аварийных ситуациях. Сочетание электрических и пневматических датчиков тяги, температуры теплоносителя и пламени увеличивает ресурс работы всего газового нагревателя.

На фиг.1-8 представлены варианты автономного устройства безопасности и регулирования для газового котла, датчики которого работают на различных физических принципах.

На фиг.1 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическими датчиками тяги, температуры теплоносителя и пламени и электронного термостата помещения с электроприводом вентиля и датчиком температуры помещения электронного или биметаллического типов, вынесенных в контрольную точку измерения температуры в помещении всего строения.

На фиг.2 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана и термостата помещения с датчиком температуры манометрического типа.

На фиг.3 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическим датчиком пламени и электронного термостата помещения с датчиком температуры помещения и электрическими датчиками тяги и температуры теплоносителя.

На фиг.4 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическими датчиками температуры теплоносителя и пламени и электронного термостата помещения с датчиком температуры помещения и электрическим датчиком тяги.

На фиг.5 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическими датчиками тяги и пламени и электронного термостата помещения с датчиком температуры помещения и электрическим датчиком температуры теплоносителя.

На фиг.6 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическими датчикам тяги и пламени и электронного термостата помещения с датчиком температуры помещения и электрическими датчиками тяги и температуры теплоносителя.

На фиг.7 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическими датчикам температуры теплоносителя и пламени и электронного термостата помещения с датчиком температуры помещения и электрическими датчиками тяги и температуры теплоносителя.

На фиг.8 представлено автономное устройство, состоящее из пневматического блока предохранительного клапана с пневматическими датчикам тяги, температуры теплоносителя и пламени и электронного термостата помещения с датчиком температуры помещения и электрическими датчиками тяги и температуры теплоносителя.

Рассмотрим предлагаемое автономное устройство безопасности и регулирования в составе газового котла.

Газовый котел (фиг.1, 2) содержит теплообменник (бак, котел, емкость) 1, основную горелку 2, запальную горелку 3, датчик 4 пламени запальной горелки, заслонку 5, сопло 6, пневматический датчик 7-1 тяги, термочувствительный элемент 8-1, защитный пневматический термостат 9-1 аварийного перегрева воды (датчик температуры теплоносителя) в теплообменнике 1, термочувствительный элемент 10-1, привод предохранительного клапана 11, например, мембранный, механически связанный с клапаном 12, датчик 13-1 (фиг.1) температуры помещения электронного или биметаллического типов, датчик 13-2 (фиг.2) температуры помещения манометрического типа и термостат (регулятор) помещения электронный 14-1 (фиг.1) и манометрический 14-2 (фиг.2), механически связанный с вентилем 15, кнопку 16 “Пуск”, запорный кран 17 на магистральном вводе 18.

Газовый котел 1 подключается к системе отопления помещения трубопроводами 19 подачи горячей воды в систему отопления и 20 обратной воды из системы отопления; газ поступает по магистрали 18 к основной горелке 2 через запорный кран 17, предохранительный (отсечной) клапан 12, вентиль 15 термостата помещения 14. Термостат 14 применяется как манометрического, так и электронного типов (автономного с батарейным или аккумуляторным питанием и с питанием от зарядного устройства электросети) с возможностью задания различных режимов отопления: дежурного, дневного, недельного и др., обеспечивающих энергосбережение.

Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла (фиг.1) состоит из двух функциональных устройств: 1 – это пневматический блок предохранительного клапана 11, обеспечивающий безопасность эксплуатации котла при аварийной ситуации, 2 – это электронный термостат помещения 14-1, поддерживающий заданную температуру в помещении, одновременно может принимать на себя часть функций по безопасности эксплуатации котла. Датчики тяги и температуры теплоносителя (защитный термостат) используются с различным принципом действия в зависимости от требований эксплуатации котла. На фиг.1, 2 показаны пневматические датчики, на фиг.3 – электрические, на фиг.5, 6, 7, 8 – комбинированные.

Рассмотрим работу газового котла и автоматики на примере наиболее характерной схемы устройства безопасности и регулирования, изображенного на фиг.3, который работает следующим образом.

Включение. При нажатии на кнопку 16 открывается предохранительный (отсечной) клапан 12. Вентиль 15 должен быть закрыт (задана минимальная температура помещения). В этом случае газ проходит только к запальной горелке 3. Затем пользователь поджигает газ на запальной горелке 3, начинается разогрев датчика 4 пламени пневматического типа. Пользователь устанавливает на блоке задания 13-1 термостата 14-1 требуемую температуру помещения. По достижении датчиком 4 требуемой температуры, сопло 6 закрывается заслонкой 5 и в камере 11 накапливается давление, необходимое для удержания предохранительного клапана 12 в открытом состоянии. При этом кнопку 16 можно отпустить. Газ начнет поступать в канал основной горелки 2 при установке заданной температуры помещения и при открытии вентиля 15. Если температура в помещении ниже заданной, то автоматически будет открыт клапан 15. При этом газ из магистрали 18, через запорный кран 17, открытый клапан 12, вентиль 15, поступит на основную горелку 2 и загорится от пламени запальной горелки 3. Аппарат АГВ включится в работу в режиме нагрева помещения.

Поддержание равновесного теплового режима. Если температура помещения, фиксируемая датчиком 13-1 ниже заданной, то сигнал от датчика 13-1 поступит в термостат 14-1, который вырабатывает сигнал на открытие вентиля 15, при этом увеличится расход газа к основной горелке 2, что повысит температуру помещения до заданной.

Датчик 13-1 измеряет температуру помещения, которое является контрольным, и по температуре которого примерно оценивается степень обогрева всей площади помещения. Общая же средняя оценка прогрева всей площади помещения характеризуется температурой помещения и величиной тепла, содержащегося в объемах воды, которая поступает по обратному трубопроводу 20 в теплообменник 1. Такая замкнутая система с местной обратной связью поддерживает заданные параметры более качественно. Этот режим осуществляет частичное энергосбережение за счет более быстрого реагирования контура температуры помещения уменьшения времени переходного процесса и потребления газа.

Как дополнительное преимущество предлагаемого автономного устройства безопасности и регулирования для котла типа АГВ можно считать, что при работе регулятора с местной ОС возможно диагностирование ухудшения теплоотдачи отопительных приборов в помещениях, например, из-за различных в них отложений. Сравнивая подобные режимы отопления и отмечая одинаковую температуру помещения, можно заключить, что возникновение повышенной температуры воды в теплообменнике 1 происходит из-за пониженной теплоотдачи приборами отопления.

При использовании газового котла с 2-контурной гидравлической системой типа автоматического комбинированного газового аппарата (АКГВ), в котором имеется второй гидравлический контур для потребления горячей воды (ГВС), поддержание равновесного теплового режима происходит путем косвенного управления температурой воды через температуру помещения. Для разбора воды пользователь заранее увеличивает заданную температуру помещения, компенсируя отбор тепла из бака на ГВС. В другом варианте можно временно отключить работу системы отопления. Аварийный режим. 1) При повышении температуры теплоносителя в теплообменнике 1 по различным причинам выше допустимой, например 95°С, срабатывает термочувствительный элемент 10-3 аварийной температуры и электрический защитный термостат 9-3 (например, нормально замкнутый), который вырабатывает команду на закрытие затвора вентиля 15. Далее, затвор закрывает подачу газа через вентиль 15 в канал основной горелки 2. При этом подача газа в запальную горелку 3 остается, температура воды в теплообменнике начинает понижаться, предотвращая аварийную ситуацию по перегреву теплоносителя в теплообменнике 1 и сберегая дорогостоящее оборудование пользователя. Дифференциальное значение температурь; датчика 10-3 защитного термостата 9-3 позволяет далее затвору вентиля 15 открыться для подачи газа на основную горелку 2 и продолжить работу АГВ по обогреву помещения.

2) Также работает вентиль 15 в случае подачи сигнала от датчика 8-3, контролирующего нарушения тяги в дымоходе при удалении отходов сгорания из камеры теплообменника 1, когда отходы сгорания воздействуют своей температурой на электрический датчик 8-3 (например, нормально замкнутый). При этом прекращается подача газа к основной 2 горелке аппарата АГВ вентилем 15 термостата 14-1. При восстановлении тяги и нормализации температуры отходящих газов вентиль 15 открывается и продолжается работа аппарата типа АГВ.

3) В случае выхода из строя датчика 4 пламени или при угасании пламени на запальной горелке 3 заслонка 5 отходит от сопла 6 и через него сбрасывается давление, необходимое для удержания предохранительного клапана в открытом состоянии. Клапан 12 закрывается и прекращается доступ газа к основной 2 и запальной 3 горелкам. Аппарат АГВ выключается.

Безаварийная работа АГВ обеспечивается включением по схеме ИЛИ защитного термостата 9-3 и датчика тяги 7-3, воздействующей командой на закрытие затвора вентиля 15 термостата помещения 14-1 и перекрывающей подачу газа только к основной горелке 2. При этом запальная горелка остается в работе.

Работа при энергосбережении. Термостат 14-1 может быть применен разных типов с возможностью задания режимов отопления: ночного, дежурного, дневного, недельного и др., обеспечивающих энергосбережение.

Газовые котлы с автономным устройством безопасности и регулирования, изображенные на фиг.1-8 имеют датчики, работающие на разных физических принципах – пневматическом и электрическом, и которые работают аналогично вышеописанному в аварийной ситуации и обеспечивают надежную работу котлов.

Признаки, приведенные в формуле, придают новые свойства газовому котлу и автономному устройству безопасности и регулирования.

Электрические датчик тяги 8-3 и защитный термостат 9-3 не требуют дополнительной настройки рабочей зоны при установке на корпус котла. Это улучшает эксплуатационные свойства котла и технологию сборки, уменьшается время сборки.

Расположение в пространстве (фиг.8) отходящих газов в нижней точке, наиболее близкой к выходу газов из теплообменника 1, электрического датчика тяги 8-3 и защитного термостата 9-3 в верхней наиболее нагретой точке теплообменника позволяет выключать сначала основную горелку, затем вступает в работу пневматический датчик тяги 8-1 и защитный термостат 9-1, отключая и запальную горелку. Такое свойство увеличивает надежность эксплуатации газового котла.

Формула изобретения

1. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, содержащее блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем, отличающееся тем, что блок предохранительного клапана с датчиком пламени выполнен пневматическим, термостат помещения выполнен электронным с электроприводом вентиля, датчики тяги и температуры теплоносителя выполнены электрическими и связаны по схеме ИЛИ с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения.

2. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла, содержащее блок предохранительного клапана с датчиком пламени, датчики тяги и температуры теплоносителя, термостат помещения с вентилем, отличающееся тем, что датчик тяги выполнен электрическим и связан с электроприводом на закрытие вентиля термостата помещения, датчики пламени и температуры теплоносителя выполнены пневматическими и соединены по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

3. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла по п.1, отличающееся тем, что датчик тяги выполнен пневматическим и соединен с датчиком пламени по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

4. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введен пневматический датчик тяги и соединен датчиком пламени по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

5. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введен пневматический датчик температуры теплоносителя и соединен датчиком пламени по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

6. Автономное устройство безопасности и регулирования для газового котла по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введены пневматические датчики тяги и температуры теплоносителя и соединены с датчиком пламени по схеме ИЛИ с блоком предохранительного клапана.

РИСУНКИ