Способ регулирования расхода газа для газового котла и устройство для его осуществления

Способ регулирования расхода газа для газового котла и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к автоматическим газовым котлам типа АГВ и может быть использовано также в автоматизированных системах нагрева стационарных котлов большой мощности для различных строений.

Известны способы регулирования в устройствах и механизмах для газовых котлов [1. Руководство по эксплуатации автоматики V 5474 фирмы Honeywell]. Недостатком известного способа является отсутствие приемов измерения и регулирования газа по температуре помещения.

Известны аналоги способов регулирования подачи газа, например, к основной горелке [2. Паспорт и техописание автоматики САБК-8]. Устройство содержит один регулирующий газовый клапан с одним входом по температуре теплоносителя. Недостатками известного способа являются только дискретное регулирование расхода газа в зависимости от температуры теплоносителя и невозможность ввода сигнала по температуре помещения.

Известны способы, по которым сконструирована автоматика газовых котлов [3. Аппарат отопительный газовый бытовой АОГВ-23,2-1-У ГОСТ 20219-74. Руководство по эксплуатации. ОАО Жуковский машиностроительный завод, г. Жуковский. 1998].

В известном устройстве [3] применяется аналоговое регулирование по температуре теплоносителя и дискретное (открыто-закрыто) регулирование в устройстве [2]. Недостатком известных способов является отсутствие приемов при регулировании по температуре помещения. Значительным недостатком регулирования по температуре теплоносителя является крайне затруднительное установление режимов энергосбережения. По данным [1] установка требуемого температурного режима в помещении занимает время не менее 2 часов. Однако при дальнейшей эксплуатации газового котла нет уверенности в стабильности установленного режима, который может измениться под влиянием внешней уличной температуры, внутренних источников тепла и др. Невозможно с требуемой степенью погрешности установить энергосберегающие режимы - ночной 16-18°С, при отсутствии пользователя 10-12°С, комфортный 21-23°С.

Наиболее близким является способ технического решения с одновременно работающими регуляторами по температуре помещения и теплоносителя, например, принятый за прототип [4. Автоматический газовый водонагреватель. Патент РФ №2116582. БИ №21/9]. Известный автоматический газовый нагреватель содержит излишнее количество функциональных газовых клапанов (3 клапана, включая клапан безопасности), требующих наладки и регулировки как на заводе-изготовителе, так и у потребителя, и отсюда недостаточно надежную автоматику газового нагревателя.

Наличие такого количества клапанов, включенных последовательно на газовом тракте питания основной горелки, ведет к большому перепаду давления и существенному ограничению расхода газа. Проявляется этот недостаток особенно при минимально допустимом давлении газа на входе в АГВ (650 Па), приводящем либо к отключению АГВ, либо к заметному ухудшению комфорта в отапливаемом помещении, а также к снижению вероятности безотказной подачи газа к основной горелке (ОГ).

Известные водонагреватели не решают в достаточной мере вопрос уменьшения затрат энергоносителей (газа) для нагрева помещения при минимально допустимом давлении газа на входе в АГВ. В условиях ограничений по давлению требуются дополнительные манипуляции и затраты времени на новую перенастройку заданий регуляторов температуры помещения и теплоносителя с целью обеспечения требуемых условий в помещении, например комфорта.

Например, в известном способе [4] по мере нарастания температуры теплоносителя регулятор, отвечающий за эту температуру, начинает постепенно прикрывать затвор, увеличивая его гидравлическое сопротивление, и уменьшает требуемый расход газа при ранее настроенном регуляторе по температуре помещения. При этом увеличивается потеря давления газа по пути к основной горелке из-за большого гидравлического сопротивления всего газового тракта от входа в блок автоматики до основной горелки.

Если газовая автоматика управляет процессом горения основной горелки котла известным способом и имеет один регулирующий клапан, то в таких устройствах нет возможности управлять по двум параметрам, например по температуре помещения и температуре теплоносителя, придав статус одному из них критического для обеспечения безопасности работы газового котла. Решение этой задачи в известной автоматике, построенной по известному способу, с помощью некоторых действий также невозможно возложить на параметр, например, в виде температуры теплоносителя.

Кинематическая схема известного механизма не позволяет никакими приемами добиться появления возможности управлять по двум параметрам.

В известном [2] дискретном механизме существует режим ожидания и накопления уровня одного входного сигнала. В этот период работы механизма затвор клапана имеет возможность независимого движения в аналоговом или дискретном режимах относительно седла клапана, обеспечивающего прохождение сигнала от второго входа до общего выхода. Однако этот режим не используется с помощью заданных приемов для управления одним клапаном по двум входным параметрам.

В известном дискретном механизме существует возможность использования обеспечения связи между вторым входным звеном и выходным звеном в виде затвора клапана. Как обеспечение связи, так и ее возможность разрыва не используются для обеспечения управления одним клапаном по двум входным параметрам.

В известном [2] механизме не используются также функциональные возможности перекидной пружины и включения кинематики механизма для управления по двум параметрам.

Далее, в известном устройстве [4] регулятор температуры воды в теплообменнике вместе со своим регулирующим клапаном 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 обратной магистрали к емкости нагревателя.

На эти преобразования сигнала требуется дополнительное время, увеличивающее общую постоянную времени передачи сигнала по температуре теплоносителя. Далее 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. Быстрота реакции контура с датчиком по температуре помещения более вероятна, т.к. в контуре отсутствуют дополнительные перечисленные 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 со своими исполнительными органами (клапанами), 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 при конструктивных и материальных затратах на два регулятора со своими регулирующими клапанами.

Для устранения отмеченных выше недостатков предлагается группа изобретений с одной целью, и на ее достижение направлен единый изобретательский замысел.

Целью группы предлагаемых изобретений является получение возможности управления одним клапаном с помощью двух параметров, на один из которых можно возложить решение задачи безопасной эксплуатации газового котла, например по температуре "перегрева" теплоносителя.

Поставленная цель в предлагаемом способе, включающем дискретное изменение положения затвора клапана по сигналам одного входа управления с помощью кинематического дискретного механизма, достигается тем, что в кинематической схеме дискретного механизма с входом одного первого сигнала выбирают точку ввода сигнала второго входа, например затвор клапана, выбирают направление действия второго сигнала, например, параллельное направлению первого сигнала, выбирают вектор направления приращения второго сигнала, например, совпадающий по знаку приращения с первым сигналом, согласовывают силу сигнала второго входного звена с силой перекидной пружины, обеспечивающей степень свободы и пассивный рабочий ход затвора до изменения своего кинематического положения, согласовывают перемещение второго входного звена и пассивный рабочий ход затвора, который обеспечен кинематикой механизма до дискретного изменения положения затвора из положения клапана "открыто" в положение "закрыто", формируют второе входное звено, например, в виде цилиндрического штока, в выбранную точку ввода сигнала второго входа вводят второе входное звено, обеспечивая связь силой перекидной пружины между ним и затвором клапана, например, путем соединения прижимом к затвору клапана второго входного звена перекидной пружиной в положении клапана, например, "открыто", оставляют возможность разрыва связи между затвором клапана и вторым входным звеном.

Поставленная цель в реализующем предлагаемый способ устройстве достигается новым конструктивным и схемным выполнением механизма регулирования расхода газа в виде клапана.

В предлагаемый механизм регулирования расхода среды для осуществления способа, содержащий клапан, пружину, входное звено управления дискретным положением затвора клапана, связанное с входным рычагом, выходной перекидной рычаг на два дискретных положения, первые концы рычагов укреплены в корпусе на противоположных по горизонтали шарнирах, второй конец входного рычага с первым концом перекидного рычага расположен по ходу входного звена управления и соединен через пружину с вторым концом перекидного рычага, на втором конце которого укреплен затвор клапана, дополнительно введено второе входное звено управления ходом затвора клапана с возникновением связи прижимом силой перекидной пружины между ним и затвором клапана, второе звено расположено, например, по оси затвора клапана с возможностью разрыва связи между затвором клапана и вторым входным звеном.

Благодаря совокупности отличительных признаков у предлагаемого способа и устройства появляются новые свойства:

- функциональные возможности включения кинематики дискретного механизма для управления по двум параметрам (входным сигналам);

- уменьшенное количество функциональных газовых клапанов, которые имеют минимальный перепад давления;

- уменьшенное количество клапанов, которые снимают значительное ограничение расхода газа. Это положительное качество проявляется особенно при минимально допустимом давлении газа на входе в АГВ (650 Па), приводящем либо к отключению АГВ, либо к заметному ухудшению комфорта в отапливаемом помещении, а также к снижению вероятности безотказной подачи газа к основной горелке (ОГ);

- возможны в полной мере режимы энергосбережения при минимально допустимом давлении газа на входе в АГВ без дополнительных настроек;

- используется режим ожидания и накопления уровня одного входного сигнала в дискретном механизме для прохождения сигнала любой формы и закона от второго входа, например непрерывного, непрерывно-дискретного и др.;

- обеспечивается связь между вторым входным звеном и выходным звеном в виде затвора клапана;

- появилась возможность разрыва связи между вторым входным звеном и выходным звеном в виде затвора клапана при управлении по двум входным параметрам;

- перекидной пружине придается новое функциональное значение - совмещение двух назначений - перекидная в дискретном механизме и выполнение функции возврата затвора клапана при работе его по сигналам второго входа, например по температуре воздуха в помещении. Управление по температуре воздуха в помещении может происходить в кинематическом состоянии дискретного механизма, когда ожидается получение сигнала по температуре теплоносителя, при этом пружина не работает непосредственно как перекидная;

- увеличивается надежность эксплуатации всего нагревательного аппарата АГВ при незначительной конструктивной доработке дискретного механизма;

- появляется возможность управления со стороны пользователя любым регулятором, сигналы которых проходят через один исполнительный клапан. В этом случае один из регуляторов выводится из работы;

- уменьшены материальные затраты на два регулятора, т.к. отсутствует один из двух в традиционном исполнении клапанов.

Анализ кинематического движения известного дискретного механизма с перекидным выходным рычагом показал, что, например, в открытом положении клапана имеется возможность перемещения выходного перекидного рычага при отсутствии в данный момент дискретного хода. Эта возможность имеется в тот момент, когда происходит накопление величины сигнала от первого входного звена до последующего срабатывания механизма (изменения кинематического положения перекидной пружины) для получения дискретного сигнала на выходе, когда перемещается затвор клапана, например, из положения "открыто" в положение "закрыто". Входной сигнал от первого звена может быть любой формы, например в аналоговом виде.

При отсутствии первого входного сигнала затвор клапана свободно перемещается вместе с перекидным рычагом в пределах, обеспечиваемых конструкцией взаимного положения входного и перекидного рычагов и корпуса механизма.

Для реализации предложенного способа регулирования расхода газа в известном дискретном механизме с кинематическим перекидным выходным рычагом выбирают точку ввода, направление и вектор приращения второго входного сигнала. Далее дополнительно вводят, например, в виде штока второе входное звено аналогового, аналогово-дискретного или дискретного управления ходом затвора клапана, так чтобы введенное звено было прижато к затвору клапана, например, через перекидной рычаг. При этом используется прижимная сила пружины, действующая на затвор и прижимающая затвор к второму входному звену и позволяющая разрывать эту связь.

На фиг.1 представлено устройство регулирования расхода газа по двум параметрам, например, для газового котла.

Дискретный механизм содержит корпус 1 с входом 2 газа и выходом 3 газа, например, на основную горелку, 4 - шток первого входного звена управления ходом затвора, 5 - входной рычаг, 6 - первый конец входного рычага, 7 - опора первого конца входного рычага, 8 - второй конец входного рычага, 9 - выходной перекидной рычаг, 10 - первый конец выходного перекидного рычага, 11 - опора первого конца выходного перекидного рычага, 12 - второй конец выходного перекидного рычага, 13 - перекидная пружина, 14 - затвор клапана, 15 - седло клапана, 16 - шток второго входного звена управления ходом затвора 14.

Работа устройства по предложенному способу состоит в следующем.

В положении клапана "открыто" между затвором 14 и седлом 15 клапана существует проходное сечение, через которое природный газ может свободно проходить внутри корпуса механизма по тракту от входа 2 к выходу 3. Штоки 4 и 16 имеют уплотнения для герметизации корпуса механизма. На фиг.1 пунктиром показаны выходной перекидной рычаг 9, затвор 14 клапана в положении клапана "открыто".

В дискретном механизме первые концы 6 и 10 входного 5 и перекидного 9 рычагов находятся в шарнирах соответственно 7 и 11 опор, расположенных в корпусе 1 всего механизма. Другие концы 8 и 12 обоих рычагов 5 и 9 связаны между собой перекидной пружиной 13.

Перемещение штока 4 первого входного звена передает движение на кинематику дискретного механизма на выход через входной рычаг 5, второй конец 8 которого совершает перемещение относительно шарнира первого конца перекидного рычага, находящегося в опоре 11. При накоплении по уровню сигнала от первого входного звена 4 и достаточного перемещения входного рычага 5 приводится в действие кинематический механизм. Происходит перемещение перекидного рычага 9 вместе с затвором 14 клапана, разрыв связи между затвором 14 и штоком 16 вторым входным звеном. В это время затвор 14 релейно (скачком) переходит из положения "открыто" в положение "закрыто" на седло 15 клапана. Доступ газа по тракту от входа 2 к выходу 3 на основную горелку прекращается.

При отсутствии сигнала первого входного звена и недостаточном перемещении для срабатывания кинематического механизма (перекидывания выходного рычага) возможно поступление сигнала в виде перемещения штока 16 второго входного звена управления ходом затвора 14. Затвор 14 может перемещаться любым законом из положения "открыто" в положение "закрыто" независимо от входного сигнала первого звена. Возвратный ход затвора 14 обеспечивается перекидной пружиной 13, которая прижимает конец 12 перекидного рычага 9 к штоку 16 второго входного звена.

Опишем работу устройства в составе автоматики применительно к газовому котлу. Подключим предложенный механизм регулирования расхода газа к регуляторам различных двух параметров.

Для этого соединим шток 4, например, с термостатом температуры теплоносителя (датчиком "перегрева"), шток 16, например, с термостатом температуры воздуха в помещении.

При повышении температуры теплоносителя в теплообменнике по различным причинам выше допустимой, например 95°С, датчик "перегрева" подает сигнал перемещения на шток 4, который вырабатывает команду на закрытие затвора 14. Далее, затвор 14 закрывает подачу газа после релейного изменения своего положения рычага 9 в канал основной горелки. При этом подача газа в запальную горелку остается, температура воды в теплообменнике начинает понижаться, предотвращая аварийную ситуацию по перегреву теплоносителя в теплообменнике и сберегая дорогостоящее оборудование пользователя. Дифференциальное значение температуры датчика термостата теплоносителя позволяет далее затвору 14 открыться для подачи газа на основную горелку и продолжить работу газового котла по обогреву помещения.

Аналогично работает механизм в случае соединения штока 4 с датчиком, контролирующего нарушении тяги в дымоходе при удалении отходов сгорания из камеры теплообменника, когда отходы сгорания воздействуют своей температурой на датчик тяги. Дискретное переключение затвора 14 в положение "закрыто" прекращает подачу газа к основной горелке аппарата АГВ. При восстановлении тяги и нормализации температуры отходящих газов затвор 14 открывается и продолжается работа аппарата типа АГВ. При этом запальная горелка остается в работе.

Термостат температуры воздуха помещения, передающий свой сигнал на шток 16 второго входного звена управления затвором 14, может быть применен разных типов (автономного манометрического и электронного) с возможностью задания режимов отопления: ночного, дежурного, дневного, недельного и др., обеспечивающих энергосбережение.

Можно настраивать температуру воды и температуру помещения одновременно. Возможна работа регуляторов одновременная и раздельная. Повышается резервная часть газовой автоматики при выходе из строя одного из контуров управления. Значительно расширяются условия энергосбережения, возрастают возможности управления котлом по температуре теплоносителя и помещения, условия безопасности эксплуатации газового котла за счет дополнительного параметра температуры "перегрева" теплоносителя и ввода его в систему в виде термостата предельного нагрева.

В газовой магистрали основной горелки отсутствие 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 в дополнительном клапане, требующих периодической смазки, и узла уплотнения затвора клапана, уменьшается стоимость блока автоматики. Наличие, например, аварийного датчика температуры воды и термостата предельного нагрева, включенного в линию подачи газа к основной горелке, по первому входу в дискретный механизм повышает надежность и безаварийность работы всего газового котла. Функции "малого огня" можно передать затвору клапана термостата помещения, подключенного ко второму входу в дискретный механизм регулирования расхода газа.

Кроме того, при наличии предлагаемого способа и устройства, реализующего способ, в автоматике газового котла обеспечивается более надежное по сравнению с известными способами аварийное отключение подачи газа на основную горелку при превышении допустимой температуры теплоносителя или отсутствии тяги в дымоходе и превышении температуры отходящих газов.

Улучшаются свойства котлов, когда отдача тепла от объекта менее притока тепла от аппарата. А также при падении давления в системе магистрального газоснабжения котла, 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.).

1. Способ регулирования расхода газа, включающий дискретное изменение положения затвора клапана по сигналам одного входа управления с помощью кинематического дискретного механизма, отличающийся тем, что в кинематической схеме дискретного механизма с входом одного первого сигнала выбирают точку ввода сигнала второго входа, например затвор клапана, выбирают направление действия второго сигнала, например параллельное направлению первого сигнала, выбирают вектор направления приращения второго сигнала, например совпадающий по знаку приращения с первым сигналом, согласовывают силу сигнала второго входного звена с силой перекидной пружины, обеспечивающей степень свободы и пассивный рабочий ход затвора до изменения своего кинематического положения, согласовывают перемещение второго входного звена и пассивный рабочий ход затвора, который обеспечен кинематикой механизма до дискретного изменения положения затвора из положения клапана "открыто" в положение "закрыто", формируют второе входное звено, например, в виде цилиндрического штока, в выбранную точку ввода сигнала второго входа вводят второе входное звено, обеспечивая связь силой перекидной пружины между ним и затвором клапана, например, путем соединения прижимом к затвору клапана второго входного звена перекидной пружиной в положении клапана, например, "открыто", оставляют возможность разрыва связи между затвором клапана и вторым входным звеном.

2. Механизм регулирования расхода среды для осуществления способа по п.1, содержащий клапан, пружину, входное звено управления дискретным положением затвора клапана, связанное с входным рычагом, выходной перекидной рычаг на два дискретных положения, первые концы рычагов укреплены в корпусе на противоположных по горизонтали шарнирах, второй конец входного рычага с первым концом перекидного рычага расположен по ходу входного звена управления и соединен через пружину с вторым концом перекидного рычага, на втором конце которого укреплен затвор клапана, отличающийся тем, что дополнительно введено второе входное звено управления ходом затвора клапана с возникновением связи прижимом силой перекидной пружины между ним и затвором клапана, второе звено расположено, например, по оси затвора клапана с возможностью разрыва связи между затвором клапана и вторым входным звеном.