Бытовая комбинированная нагревательно-силовая система
Изобретение относится к бытовому комбинированному нагревательно-силовому устройству. Нагревательный электроприбор, в частности бытовая комбинированная нагревательно-силовая система, содержит две горелки (3, 17). Разделительный клапан (23) разделяет поток воздуха (24) на два потока, по одному для каждой горелки. Горючее топливо смешивается с воздухом. Регулятор регулирует горючее топливо и положение разделительного клапана, тем самым регулируя долю воздуха, подаваемого в каждую горелку. Изобретение обеспечивает повышение КПД и создание эффективного и экономичного комбинированного нагревательно-силового устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к нагревательным электроприборам, в частности настоящее изобретение относится к бытовому комбинированному нагревательно-силовому (БКНС) устройству.
Эти предлагаемые БКНС-устройства включают в себя двигатель Стирлинга, соединенный с генератором переменного тока для генерирования электричества. Производимое двигателем тепло, которое бы в ином случае терялось, используется для нагревания воды, подаваемой в бытовые системы водоснабжения и центрального отопления, и поэтому является ценной продукцией БКНС-системы. Продемонстрировано, что для этого устройства наиболее оптимальные экономические показатели обеспечиваются, если двигатель Стирлинга/генератор переменного тока выполнены для генерирования около 1 кВт электричества. Но на этом уровне обеспечивается только около 5 кВт тепла, что значительно ниже обычной бытовой тепловой нагрузки, которая превышает 20 кВт.
Для обеспечения остального тепла, чтобы устройство БКНС смогло эффективно конкурировать с нынешними характеристиками бытового котла, требуется дополнительная газовая горелка. Желательно, чтобы обе горелки выходили в общий газоход, чтобы они смогли нагревать бытовое водоснабжение и чтобы с внешней средой требовалось бы только одно газоходное соединение. Но в этих условиях использование отдельного вентилятора для каждой горелки создаст трудности, если один из вентиляторов не будет работать. При этом горячий газ может принудительно направляться назад через незажженную горелку и ее соответствующий газоход, в результате чего будут повреждаться компоненты устройства, и устройство будет заполняться продуктами сгорания. Один из способов решения этой проблемы раскрывается в ранее поданной заявке GB 0124985.3, согласно которой обнаруживают наличие проходящего через горелку обратного потока горячих газов, и для его устранения происходит пуск вентилятора незажженной горелки. Настоящее изобретение обеспечивает альтернативное решение, которое исключает потери кпд из-за паразитного потребления мощности дополнительного вентилятора и также из-за неблагоприятных эффектов охлаждения, обусловленных прохождением дополнительного холодного воздуха через нагревательную систему.
Наиболее близким к заявленному изобретению является техническое решение, раскрытое в документе DE № 19936591, которое относится к бытовой комбинированной нагревательно-силовой системе, включающей двигатель Стирлинга. Эта система требует наличия двух горелок. Причина для этого заключается в том, что горелка, которая нагревает двигатель Стирлинга для производства электроэнергии, не может полностью удовлетворить бытовую потребность в горячей воде, поэтому требуется дополнительная горелка. Однако обе горелки обеспечивают теплом один и тот же контур циркуляции воды.
Задачей данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков известных устройств и создание эффективного и экономичного бытового комбинированного нагревательно-силового устройства.
Согласно первой особенности данного изобретения бытовая комбинированная нагревательно-силовая система содержит двигатель Стирлинга, который нагревается первой горелкой, и водонагреватель, который нагревается второй горелкой, магистраль подачи воздуха, разделительный клапан для разделения подачи воздуха на поток запитывания первой горелки и поток запитывания второй горелки, средство подачи горючего топлива для смешивания с воздухом и регулятор для регулирования потока горючего топлива и пропорции воздуха, подаваемых в каждую горелку, в зависимости от потребностей прибора, причем регулятор дополнительно содержит средство для регулирования скорости вентилятора и положения разделительного клапана, чтобы регулировать пропорцию смешанного потока, подаваемого в каждую горелку. Средство подачи горючего топлива может быть размещено с возможностью подачи топлива в разделенные потоки воздуха после разделительного клапана или перед разделительным клапаном. Предпочтительно разделительным клапаном является откидной клапан.
Система согласно изобретению также содержит канал для отходящих газов, проходящий от двигателя Стирлинга в контакте со входом для горючего газа в горелку, для предварительного нагревания горючего газа, поступающего в горелку и последующего контактирования с водой перед водонагревателем для предварительного нагрева этой воды.
Альтернативно, первый аспект настоящего изобретения можно определить как способ регулирования поступающей в первую и вторую горелки топливо-воздушной смеси, согласно которому разделяют единую подачу воздуха на первый поток запитывания первой горелки и на второй поток запитывания второй горелки, подают горючее топливо для его смешивания с воздухом и регулируют пропорцию смешанного потока, подаваемого в каждую горелку, в зависимости от потребностей прибора, причем воздух подают при помощи вентилятора и разделяют разделительным клапаном перед двумя горелками; причем регулируют скорость вентилятора и положение разделительного клапана, чтобы регулировать пропорцию смешанного потока, подаваемого в каждую горелку. Причем горючее топливо подают в первый и второй потоки воздуха после разделения на два потока.
Поскольку устройство согласно изобретению использует единственный вентилятор и разделительный клапан для разделения потока воздуха между двумя горелками, исключается возможность обратного течения горячих газов сгорания от одной горелки через другую горелку. Также обеспечивается экономия за счет работы двух горелок от одного вентилятора.
Для данного изобретения требуется один вентилятор, и поэтому обеспечивается экономия общей стоимости; и для данного устройства требуется меньшее пространство по сравнению с устройством с двумя вентиляторами.
Данное изобретение имеет применения помимо БКНС-системы, и его можно использовать для любого электроприбора с двумя горелками предварительного смешивания, для которых требуется модулирующее регулирование подачи тепла в два отдельных нагревательных контура. Этот электроприбор обычно будет жидкостным нагревательным прибором, таким как водяной домашний котел питания домашнего центрального отопления и/или системы горячего водоснабжения; но он также в равной степени применим для системы отопления, работающей на других видах рабочей текучей среды (например, воздух или масло). Либо этим прибором может быть кулинарное устройство, такое как гриль для пиццы или бургеров, в котором верхняя и нижняя горелки горят одновременно в одном и том же пространстве тепловой обработки пищи.
Одна из возможностей заключается в том, чтобы обеспечить смесительную камеру, в которой топливо и воздух смешиваются перед разделительным клапаном, в результате чего разделительный клапан разделяет смешанный поток топлива и воздуха. Преимущество этого устройства заключается в том, что нужен только один источник подачи топлива. Но в этом случае разделительный клапан должен иметь первичное предохранительное устройство, для которого требуется особая конструкция и нужна его сертификация. Также необходимо обеспечивать полное закрытие и совершенную герметичность магистрали подачи газа. Поэтому предпочтительно, чтобы средство подачи горючего топлива было бы выполнено с возможностью подачи топлива в разделенные потоки воздуха после разделительного клапана. Это устройство также позволяет полностью регулировать воздушно-топливную смесь, идущую в каждую горелку, поскольку обеспечивается возможность устанавливать соотношение воздух-топливо отдельно для каждой горелки. При этом достаточно, чтобы конструкция клапана обеспечивала лишь регулирование потока воздуха и допускала некоторую степень утечки, не впуская ненужное топливо в не зажженную горелку. Практически, в лопасти разделительного клапана предусмотрено отверстие для возможности потока стравливания - в дополнение к потоку воздуха, проходящему по лопасти. Это решение обеспечивает должное вентилирование бездействующей горелки, и при этом горючие газы не скапливаются в какой-либо точке горелки. Помимо этого этот поток воздуха препятствует скапливанию конденсата на поверхностях горелки во время ее охлаждения.
Данное изобретение, в частности, применимо для БКНС-системы, в которой для двигателя Стирлинга необходима горелка, и вторая горелка выполнена с возможностью нагревания водонагревателя, чтобы генерировать необходимое тепло для обеспечения обычной бытовой тепловой нагрузки. За счет модулирования производимой мощности этих горелок можно полностью обеспечить нужный нагрев и можно в значительной степени повысить гибкость системы.
Разделительный клапан может быть клапаном любого типа, соответствующим регулируемому разделению двух газовых потоков. Однако, как указывалось выше, самая простая форма разделительного клапана - откидной клапан.
Указанное регулирование предпочтительно осуществляют путем регулирования скорости вентилятора и положения разделительного клапана. Это простой способ регулирования потока, для осуществления которого требуются минимальные компоненты. Причем потребности топлива двух горелок можно обеспечивать независимо.
Пример настоящего изобретения далее поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематически изображает схему расположения газового оборудования, которое не составляет часть настоящего изобретения;
Фиг.2 схематически изображает первый пример настоящего изобретения;
Фиг.3 - схема, аналогичная Фиг.2 и показывающая второй пример настоящего изобретения; и
Фиг.4 - схема, аналогичная Фиг.2 и показывающая расположение газового оборудования примера согласно Фиг.3.
Изображаемое на Фиг.1 устройство содержит горелку 2 подачи тепла в головную часть двигателя Стирлинга. Газ для горелки подается из линии 4 подачи газа в многофункциональный регулятор 5 (регулятор прямого регулирования зажигания горелки, серия Honeywell 1000). Многофункциональный газовый регулятор регулирует давление газа, который подают в систему смешивания, до давления входящего потока воздуха (атмосферного) с помощью стандартного регулятора давления и нулевого газового регулятора. Он также содержит двойной электромагнитный предохранительный отсечной клапан, ручной регулятор потока и управляющую схему. Это регулируемое газоснабжение подается в смеситель, состоящий из вентилятора 8 постоянного тока с регулированием частоты вращения, втягивающий поток воздуха 7 в трубку Вентури 9. Скорость поступления газа в поток воздуха зависит от расхода газа в трубке Вентури. Путем регулирования потока газа из клапана обеспечивается соответствующее соотношение газ/воздух. Регулирование частоты вращения вентилятора постоянного тока поэтому можно использовать для увеличения расхода смеси. Соотношение газ/воздух будет поддерживаться на заданном уровне в пределах рабочего диапазона значений расхода смеси, обеспечивая возможность того, что работу горелки(ок) можно будет модулировать всего лишь скоростью вентилятора. Отдельный регулятор горелки обеспечен для регулирования действия горелки. Этот регулятор регулирует зажигание горелки и также обнаруживает наличие пламени в горелке, чтобы можно было отсечь газ, если пламя нужно будет погасить.
Подача топлива и воздуха в дополнительную горелку 12 идентична подаче, описываемой в отношении двигателя Стирлинга 1. Это устройство содержит линию 4 подачи газа, общую с горелкой 2 (показана отдельно на Фиг.1 для ясности), многофункциональный регулятор 5А, регулятор горелки, воздушную магистраль 7А, вентилятор 8А и трубку Вентури 9А.
В работе подача газа и воздуха в горелку 2 двигателя Стирлинга регулируется независимо согласно бытовым потребностям отопления. Если требуется большее количество тепла, чем тепло, которое может обеспечить горелка 2 двигателя Стирлинга, то для обеспечения этой дополнительной потребности включается в работу дополнительная горелка 12.
Первое осуществление согласно настоящему изобретению описывается со ссылкой на Фиг.2.
Двигатель Стирлинга 1 нагревается первым нагревателем 14 аналогично вышеизложенному. Тепло передается в головную часть системой ребер 3, как раскрыто в ранее поданной заявке №0020012.
Осуществление согласно Фиг.2 имеет водонагреватель 15, который нагревает поток 16 воды второй горелкой 17 (аналогичной дополнительной горелке 12 на Фиг.1). Отходящие газы выходят по газоходу 18.
Общая линия 19 газоснабжения имеется и для первой 14, и для второй 17 горелок. Этот газовый поток регулируется единым многофункциональным клапаном 20, функционирующим аналогично многофункциональному клапану 5, показанному на Фиг.1. Управляющие средства горелки, которые регулируют зажигание горелки и обнаруживают пламя на ней, можно выполнить в многофункциональном регуляторе. Газ, выходящий из многофункционального клапана 20, поступает в смесительную камеру в виде патрубка Вентури 21 и смешивается с потоком воздуха, нагнетаемым вентилятором (не показан). Это решение для подачи топлива и воздуха аналогично решению согласно Фиг.1.
Смесь газа и воздуха теперь поступает в разделительный клапан 23, в котором один вход 24 выходит в первый выход 25 горелки и во второй выход 26 горелки. Разделительный клапан 23 имеет единый клапанный элемент, положение которого определяет соотношение потока во входе 24, выходящем в два выхода 25, 26. Относительное количество потока в каждый выход регулируется откидным клапаном 27, который выполнен с возможностью вращения вокруг оси 28. Положение откидного клапана 27 устанавливается многофункциональным регулятором и приводится в данное положение с помощью, например, серводвигателя.
Вода из бытового контура отопления проходит через охладитель 31 двигателя Стирлинга, удаляя тепло, чтобы обеспечивать нужный внутренний температурный дифференциал внутри двигателя Стирлинга.
Подаваемая в двигатель Стирлинга 1 топливо-воздушная смесь обтекает кожух 29, в котором заключена горелка, и при этом нагревается потоком горячего газа, выходящего из горелки. Отходящий газ, отдавший часть своего тепла входящей смеси, выходит из кожуха по патрубку 30 и поступает в водонагреватель 15, где он контактирует с потоком 16 воды, который уже воспринял некоторое количество тепла от охладителя 31 двигателя Стирлинга, чтобы предварительно нагреть поток 16 воды перед второй горелкой 17. Вторая горелка 17 горит для обеспечения дополнительного нагрева потока 16 воды, при необходимости. Отходящий газ из первой горелки 14 затем смешивается с отходящим газом из второй горелки 17, и объединенный поток газов проходит последующую ступень конденсирующих трубок теплообменника в отдельной камере в водонагревателе 15. Объединенный поток газа затем выходит из водонагревателя 15 через газоход 18. За счет этого устраняется необходимость обеспечения отдельного газохода для первой горелки, как это требуется в осуществлении согласно Фиг.1.
Второе осуществление изобретения показано на Фиг.3 и 4.
В этом осуществлении большинство компонентов то же, что и на Фиг.2, и одинаковые компоненты указаны одинаковыми ссылочными обозначениями.
Основное отличие между Фиг.2, 3 и 4 в том, что согласно Фиг.3 и 4 поток воздуха от вентилятора 22 постоянного тока с регулируемой частотой вращения разделяется разделительным клапаном 27 потока воздуха перед введением газа. Поэтому требуются две линии 19 газоснабжения, каждая из которых регулируется собственным регулятором/клапаном 20, и при этом каждая подача газа смешивается с одним из потоков воздуха в трубках Вентури 21; при этом скорость вентилятора 22, положение разделительного клапана 27' и регуляторов/клапанов 20' регулируются многофункциональным регулятором.
1. Бытовая комбинированная нагревательно-силовая система, содержащая двигатель Стирлинга, который нагревается первой горелкой, и водонагреватель, который нагревается второй горелкой, магистраль подачи воздуха, разделительный клапан для разделения подачи воздуха на поток запитывания первой горелки и поток запитывания второй горелки, средство подачи горючего топлива для смешивания с воздухом и регулятор для регулирования потока горючего топлива и пропорции воздуха, подаваемых в каждую горелку, в зависимости от потребностей прибора, причем регулятор дополнительно содержит средство для регулирования скорости вентилятора и положения разделительного клапана, чтобы регулировать пропорцию смешанного потока, подаваемого в каждую горелку.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство подачи горючего топлива размещено с возможностью подачи топлива в разделенные потоки воздуха после разделительного клапана.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство для подачи горючего топлива размещено с возможностью подачи топлива в поток воздуха перед разделительным клапаном.
4. Система по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что разделительным клапаном является откидной клапан.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что также содержит канал для отходящих газов, проходящий от двигателя Стирлинга в контакте со входом для горючего газа в горелку, для предварительного нагревания горючего газа, поступающего в горелку, и последующего контактирования с водой перед водонагревателем для предварительного нагрева этой воды.
6. Способ регулирования поступающей в первую и вторую горелки топливовоздушной смеси, согласно которому разделяют единую подачу воздуха на первый поток запитывания первой горелки и на второй поток запитывания второй горелки, подают горючее топливо для его смешивания с воздухом и регулируют пропорцию смешанного потока, подаваемого в каждую горелку, в зависимости от потребностей прибора, причем воздух подают при помощи вентилятора и разделяют разделительным клапаном перед двумя горелками; причем регулируют скорость вентилятора и положение разделительного клапана, чтобы регулировать пропорцию смешанного потока, подаваемого в каждую горелку.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что горючее топливо подают в первый и второй потоки воздуха после разделения на два потока.
