熱水系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種熱水系統(tǒng)包括用于向換熱器提供熱能的來(lái)源的燃燒器總成。水入口管道耦合至換熱器總成以便供應(yīng)有待加熱的新鮮水，并且水出口管道耦合至所述換熱器總成以便向使用點(diǎn)輸送加熱的水。旁通管道將水出口管道連接至水入口管道，并且布置在所述旁通管道中的泵使所述加熱的水的至少一部分從所述水出口管道循環(huán)至所述水入口管道。定位在所述水入口管道中的位于所述換熱器總成與所述旁通管道之間的前饋傳感器監(jiān)測(cè)正在進(jìn)入所述換熱器總成的水的參數(shù)，并且處理器響應(yīng)于所述前饋傳感器而控制所述燃燒器總成的操作。
【專(zhuān)利說(shuō)明】熱水系統(tǒng)
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]對(duì)2012年I月24日提交的名稱(chēng)為“WATER HEATING SYSTEM”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/357，309和2011年I月28日提交的名稱(chēng)為“TANKLESS WATER HEATER”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/437，527進(jìn)行參考，并且本申請(qǐng)要求來(lái)自這些申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)及其權(quán)益，所述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本公開(kāi)一般涉及一種熱水系統(tǒng)，并且更明確地說(shuō)，涉及利用前饋控制的一種熱水系統(tǒng)和方法。
發(fā)明背景
[0003]在家用和商業(yè)應(yīng)用二者中，熱水器大多數(shù)具有水箱類(lèi)型。這些熱水器是圓柱形容器，其中水被持續(xù)地保熱并且準(zhǔn)備好以供使用。水箱中的水不久之后將會(huì)冷卻下來(lái)，這使得加熱系統(tǒng)啟動(dòng)以將水加熱回溫。此外，一旦來(lái)自水箱的熱水的供應(yīng)耗盡，就會(huì)在熱水再次可供使用之前存在一定的延遲。
[0004]即熱式熱水器(tankless water heater)在水流動(dòng)穿過(guò)裝置時(shí)對(duì)水進(jìn)行加熱,并且除了在換熱器盤(pán)管中的水之外，通常在內(nèi)部不會(huì)保留任何水。常規(guī)即熱式熱水器的挑戰(zhàn)是以不同的流量輸出相同溫度的水。另外，隨著時(shí)間的推移，換熱器會(huì)經(jīng)受腐蝕并且效率降低。
發(fā)明概述
[0005]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，熱水系統(tǒng)包括用于提供熱能的來(lái)源的燃燒器總成。燃燒器總成包括燃燒室、向燃燒室供應(yīng)空氣流的進(jìn)氣口，以及向燃燒室供應(yīng)燃料的燃料入口。換熱器總成可操作地耦合至燃燒器總成并且包括第一流體管道，所述第一流體管道與第二流體管道處于換熱關(guān)系。熱水系統(tǒng)進(jìn)一步包括水入口管道和水出口管道，所述水入口管道耦合至換熱器總成以用于供應(yīng)有待加熱的新鮮水，而所述水出口管道耦合至換熱器總成以用于將加熱的水輸送至使用點(diǎn)。旁通管道將水出口管道連接至水入口管道，并且布置在旁通管道中的泵使加熱的水的至少一部分從水出口管道循環(huán)至水入口管道。定位在水入口管道中的位于換熱器總成與旁通管道之間的前饋傳感器監(jiān)測(cè)正在進(jìn)入換熱器總成的混合水的參數(shù)，并且處理器響應(yīng)于前饋傳感器而控制燃燒器總成的操作。
[0006]在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于操作熱水系統(tǒng)的方法。所述方法包括以下步驟:提供換熱器總成；水入口管道，其用于向換熱器總成供應(yīng)水；水出口管道，其連接至換熱器總成以便向需求方供應(yīng)加熱的水；熱源，其用于加熱換熱器總成中的水；以及旁通管道，其將水出口管道連接至水入口管道。所述方法進(jìn)一步包括以下步驟:將換熱器中的水加熱至設(shè)定點(diǎn)溫度，并且使來(lái)自旁通管道的加熱的水的至少一部分與水入口管道中的水混合。所述方法進(jìn)一步包括以下步驟:監(jiān)測(cè)水入口管道中的水在進(jìn)入到換熱器總成中之前的第一參數(shù)，并且響應(yīng)于水的第一參數(shù)而控制熱源以便在水出口管道處達(dá)到設(shè)定點(diǎn)溫度。
附圖簡(jiǎn)述[0007]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(diǎn)放在對(duì)本發(fā)明的原理的說(shuō)明上。在附圖中，貫穿各種視圖，相同數(shù)字用于指示相似零件。
[0008]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的熱水系統(tǒng)的示意圖；
[0009]圖2描繪根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的熱水系統(tǒng)的透視圖；
[0010]圖3描繪根據(jù)圖2中所示的實(shí)施方案的空氣燃料輸送系統(tǒng)的透視圖；
[0011]圖4描繪根據(jù)圖2中所示的實(shí)施方案的氣體組列(gas train)的透視圖；
[0012]圖5描繪圖2中所示的熱水系統(tǒng)的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0013]圖6描繪根據(jù)圖5中所示的燃燒器總成的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0014]圖7描繪圖6中所示的燃燒器總成的分解透視圖；
[0015]圖8A和圖8C描繪圖5中所示的熱水系統(tǒng)的示例性外殼的前側(cè)透視圖和右側(cè)透視圖；并且
[0016]圖8B和圖8D描繪圖5中所示的熱水系統(tǒng)的示例性外殼的后側(cè)透視圖和左側(cè)透視圖。
發(fā)明詳述
[0017]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的熱水系統(tǒng)10的示意圖。新鮮水由水入口管道12而供應(yīng)至熱水系統(tǒng)10。管道12中的水進(jìn)入換熱器總成14，在換熱器總成處，水被加熱至所需溫度或設(shè)定點(diǎn)溫度并且被排放至水出口管道16。加熱的水然后可供用于滿足家庭或設(shè)施的需求。
[0018]熱水系統(tǒng)10包括燃燒器總成18，所述燃燒器總成被適配來(lái)燃燒燃燒室中的燃料與氧化劑以產(chǎn)生燃燒的加熱產(chǎn)物。在典型的系統(tǒng)中，氧化劑是空氣。燃燒的產(chǎn)物(熱氣體)離開(kāi)燃燒器總成18并且被提供至換熱器總成14，在此之后，燃燒的產(chǎn)物與循環(huán)穿過(guò)換熱器總成的水進(jìn)入換熱關(guān)系。在換熱器總成14內(nèi)，水與燃燒的產(chǎn)物隔離。也就是說(shuō)，第一流體管道20與第二流體管道21處于換熱關(guān)系，但它們未被混雜。在所示的實(shí)施方案中，第一流體通道20是換熱器內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)換熱管，并且第二流體管道21是換熱器的圍繞換熱管的內(nèi)部區(qū)域。燃燒的產(chǎn)物在換熱管20中流動(dòng)，并且水流動(dòng)穿過(guò)第二流體管道21 (也就是說(shuō)，在管20的周?chē)鲃?dòng))并且經(jīng)由水出口管道16被引導(dǎo)出換熱器總成14。熱的燃燒氣體經(jīng)由燃燒排氣歧管22離開(kāi)換熱器總成14。在另一個(gè)實(shí)施方案(未示出)中，水流動(dòng)穿過(guò)換熱器總成中的管，并且熱的燃燒氣體在管的周?chē)h(huán)。
[0019]熱水系統(tǒng)10進(jìn)一步包括將水出口管道16連接至水入口管道12的旁通管道24。泵26被適配來(lái)使加熱的水的至少一部分從水出口管道16循環(huán)至更冷的水入口管道12。在一個(gè)實(shí)施方案中，泵26是使恒定流量持續(xù)循環(huán)的恒流模型。
[0020]熱水系統(tǒng)10進(jìn)一步包括傳感器以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作條件或系統(tǒng)健康參數(shù)。在系統(tǒng)的液體側(cè)上，定位在旁通管道24上游的水入口傳感器28可以監(jiān)測(cè)進(jìn)入的新鮮水的溫度。安裝在水入口管道12中、位于旁通管道24與換熱器總成14之間的前饋傳感器30可以監(jiān)測(cè)例如正在進(jìn)入換熱器的水在與從旁通管道流入的加熱的水混合之后的溫度。水出口傳感器32可以監(jiān)測(cè)正在離開(kāi)換熱器總成14的加熱的水的溫度或流量。在系統(tǒng)的燃燒側(cè)上，空氣入口傳感器34可以監(jiān)測(cè)多種條件，如流動(dòng)至燃燒器總成18的空氣的溫度，并且排氣傳感器36可以監(jiān)測(cè)排氣煙道中的條件(如溫度)，這可適用于確定燃燒效率。[0021 ] 熱水系統(tǒng)10進(jìn)一步包括可以是微處理器或微控制器的處理器38 (或CPU)，并且包括用于控制器熱水系統(tǒng)的整體操作的任何適合的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃燒器總成18的操作可以響應(yīng)于前饋傳感器30來(lái)控制。在一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器總成18的操作是響應(yīng)于正在進(jìn)入換熱器總成14的混合水(例如，新鮮水加上再循環(huán)水)的溫度而由處理器38來(lái)控制。
[0022]熱水系統(tǒng)根據(jù)需求原則進(jìn)行操作。也就是說(shuō)，在操作過(guò)程中，根據(jù)設(shè)施需求來(lái)斷定被輸送穿過(guò)水出口管道的加熱的水的流量。當(dāng)設(shè)施對(duì)熱水沒(méi)有需求時(shí)，就沒(méi)有熱水流出管道16。在現(xiàn)有的熱水系統(tǒng)中，當(dāng)沒(méi)有需求時(shí)，在系統(tǒng)中不存在流量。因此，系統(tǒng)中的停滯水的溫度逐漸降低。在即熱式系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)中水的低容量，溫度下降發(fā)生得相當(dāng)快。當(dāng)恢復(fù)對(duì)熱水的需求時(shí)，在換熱器的出口處的溫度常常顯著地小于所需溫度或設(shè)定點(diǎn)溫度。響應(yīng)于水出口溫度來(lái)控制燃燒器總成的系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)100%地點(diǎn)燃燃燒器達(dá)一段延長(zhǎng)的時(shí)間而做出響應(yīng)。通常，迅速地添加至換熱器的高熱量引起水出口溫度迅速上升并且越過(guò)設(shè)定點(diǎn)，并且燃燒器將會(huì)節(jié)流關(guān)閉(throttle back)。當(dāng)水出口溫度下降到低于設(shè)定點(diǎn)時(shí),燃燒器將會(huì)再一次快速啟動(dòng)(ramp up)。燃燒器的這種開(kāi)/關(guān)操作導(dǎo)致重復(fù)地越過(guò)設(shè)定點(diǎn)并且沖下(undershot)設(shè)定點(diǎn)，尤其是來(lái)自冷起動(dòng)的情況。所述問(wèn)題可利用比例/積分/微分(PID)控制器來(lái)稍微減輕，但是使燃燒器的熱量輸出上升和下降仍導(dǎo)致?lián)Q熱器部件的熱循環(huán)。換熱器部件上的來(lái)自熱循環(huán)的應(yīng)力和應(yīng)變常常導(dǎo)致部件的過(guò)早損壞，這種情況下的維修是昂貴的。
[0023]相反，本文所描述的熱水系統(tǒng)通過(guò)使正在離開(kāi)換熱器總成14的熱水中的一些或所有循環(huán)回到換熱器入口中而維持了恒定的設(shè)定點(diǎn)溫度。以這種方式，系統(tǒng)中的水不會(huì)停滯，并且可以在沒(méi)有偏離設(shè)定點(diǎn)的破壞性波動(dòng)的情況下維持溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)對(duì)熱水沒(méi)有設(shè)施需求，并且因此沒(méi)有來(lái)自水出口管道16的流量時(shí)，因?yàn)閬?lái)自泵26的流量循環(huán)回到換熱器總成14的入口中，所以剩余有循環(huán)穿過(guò)換熱器總成的流量。因?yàn)椴淮嬖谛枨?，所以系統(tǒng)中水的容量不會(huì)改變并且沒(méi)有新鮮水從水入口管道12被添加至系統(tǒng)10。因此，在前饋傳感器30處的水的溫度將會(huì)非常接近在換熱器的出口處的設(shè)定點(diǎn)溫度。處理器38可以監(jiān)測(cè)前饋傳感器30并且響應(yīng)于所述前饋傳感器來(lái)控制燃燒器總成18的操作。在系統(tǒng)中水的溫度逐漸下降時(shí)，處理器38可以命令燃燒器總成18以一種方式操作，所述方式恢復(fù)水出口設(shè)定點(diǎn)溫度，如在前饋傳感器30處所測(cè)量的。
[0024]當(dāng)設(shè)施對(duì)熱水的需求恢復(fù)時(shí)，流出水出口管道16的流量由來(lái)自水入口管道12的新鮮水補(bǔ)充。然而，因?yàn)楸?6正在使加熱的水的一部分循環(huán)回到換熱器部件14的入口中，所以混合水可大致上比新鮮水暖熱，并且可需要較少的來(lái)自燃燒器總成18的熱量以達(dá)到在換熱器的出口處的所需溫度或設(shè)定點(diǎn)溫度。較少的熱量輸入導(dǎo)致?lián)Q熱器部件的較少的熱循環(huán)。
[0025]前饋傳感器30可以感測(cè)例如正在進(jìn)入換熱器總成14的混合水的溫度。處理器38可以監(jiān)測(cè)來(lái)自前饋傳感器30的輸出并且響應(yīng)地命令燃燒器總成18的操作。在一個(gè)實(shí)施方案中，存儲(chǔ)在處理器38的存儲(chǔ)器中的算法定義了用于正在進(jìn)入燃燒器總成18的燃料和空氣的閥門(mén)調(diào)度。閥門(mén)調(diào)度基于由前饋傳感器30所感測(cè)的溫度。
[0026]參照?qǐng)D2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的熱水系統(tǒng)10的透視圖，其中相同數(shù)字指示來(lái)自圖1的相似元件?？梢愿鶕?jù)圖1中所描繪的示意圖安排并且構(gòu)造熱水系統(tǒng)10的部件。熱水系統(tǒng)10包括換熱器總成14，所述換熱器總成具有定位在底座處的水入口管道12和定位在頂部處的水出口管道16。水入口管道12包括水入口傳感器28，所述水入口傳感器在所示的實(shí)施例中是RTD型(電阻溫度檢測(cè)器)熱電偶。排水閥40可以耦合至水入口管道12或以其他方式定位在換熱器總成14的底部，以便允許換熱器內(nèi)的水的排放。水出口管道16可以包括水出口傳感器32以便感測(cè)例如正在離開(kāi)換熱器總成14的加熱的水的溫度。在所示的實(shí)施例中，水出口傳感器32是RTD型熱電偶。水出口管道16可以進(jìn)一步包括壓力釋放閥42以便在管線中存在過(guò)壓的情況下排出水壓。
[0027]熱水系統(tǒng)10包括將水出口管道16連接至水入口管道12的旁通管道24。泵26被適配來(lái)使加熱的水的至少一部分從水出口管道16向下循環(huán)至更冷的水入口管道12。在一個(gè)實(shí)施方案中，泵26是使恒定流量持續(xù)循環(huán)穿過(guò)旁通管道24的恒流模型。示例性泵26是由克蘭斯頓羅德島州(Cranston RI)的Taco有限公司(Taco Inc.)所供應(yīng)的濕轉(zhuǎn)子循環(huán)泵，其被構(gòu)造來(lái)維持5至25加侖/分鐘(GPM)的恒定水流量。在任選的實(shí)施方案中，流量是約15GPM。在另一個(gè)實(shí)施方案中，不管新鮮水入口處的新鮮水的流量，穿過(guò)換熱器總成14的流量保持恒定。在又一個(gè)實(shí)施方案中，熱水與新鮮水之間的比率可近似地是60%至40%。
[0028]如參照?qǐng)D1所描述的，前饋傳感器30安裝在水入口管道12中，位于旁通管道24與換熱器總成14之間，并且可以監(jiān)測(cè)例如正在進(jìn)入換熱器的水在與從旁通管道流入的加熱的水混合之后的溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，前饋傳感器30定位在離使旁通管道24和水入口管道12接合的T形段下游(例如朝向換熱器總成14)距離“D”處，以便保證新鮮水與再循環(huán)熱水的適當(dāng)混合。在一個(gè)實(shí)施例中，距離“D”是至少4英寸(10.2cm)。
[0029]熱水系統(tǒng)10可以進(jìn)一步包括安裝滑動(dòng)墊板44,所述安裝滑動(dòng)墊板包括底座和垂直的底座支腳。在一個(gè)實(shí)施例中，滑動(dòng)墊板44的底座部分包括縱梁46以允許叉式起重機(jī)或叉式裝卸車(chē)舉起并且運(yùn)輸加熱系統(tǒng)。安裝板48 (圖2)可以焊接至換熱器總成14。支撐整個(gè)熱水系統(tǒng)10的安裝板48用螺栓固定至滑動(dòng)墊板44的垂直支腳。以這種方式，熱水系統(tǒng)10可以在制造廠處被緊固至滑動(dòng)墊板44，并且易于運(yùn)輸、安裝并且從設(shè)施上移除。在一個(gè)實(shí)施方案中，滑動(dòng)墊板44擁有緊湊形狀因子以允許熱水系統(tǒng)10安裝在一般實(shí)用柜中。在一個(gè)實(shí)施例中，滑動(dòng)墊板44的形狀因子是寬度上近似為28英寸并且深度上近似為51英寸(71.1X129.1cm)。
[0030]在一個(gè)實(shí)施方案中,熱水系統(tǒng)10包括空氣燃料輸送系統(tǒng)50,所述空氣燃料輸送系統(tǒng)在空氣和燃料進(jìn)入至燃燒器總成18的燃燒室之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)混合。圖3描繪示例性空氣燃料輸送系統(tǒng)50的透視圖。系統(tǒng)50首先包括空氣過(guò)濾器52以將空浮微粒從進(jìn)氣流中移除?？諝馊肟趥鞲衅?4可以提供如溫度測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)以輔助熱水系統(tǒng)10的操作。進(jìn)氣流在空氣燃料閥總成54中與燃料混合。氣體組列56(圖4)在燃料入口凸緣58處連接至空氣燃料閥總成54以向閥門(mén)提供氣體燃料。鼓風(fēng)機(jī)60推進(jìn)空氣/燃料混合物沿鼓風(fēng)機(jī)側(cè)吸入歧管62下行到燃燒器總成18。在一個(gè)實(shí)施例中，鼓風(fēng)機(jī)60可以是8.9”(225mm)可變速無(wú)刷鼓風(fēng)機(jī)，如可從俄亥俄州肯特(Kent, Ohio)的Ametek Technical and IndustrialProducts獲得的Nautilairl?牌鼓風(fēng)機(jī)。在一個(gè)實(shí)施方案中，空氣燃料閥總成54提供20: I的調(diào)節(jié)比以用于燃燒器總成18的操作。也就是說(shuō)，燃料/空氣混合比率和鼓風(fēng)機(jī)60的速度可加以調(diào)整，以便從燃燒器總成18提供介于燃燒器最大輸出的5%與100%之間的熱源。[0031]在其它實(shí)施方案中，燃料和空氣可以分開(kāi)地引導(dǎo)至燃燒室中。例如，空氣管道和燃料管道可以分開(kāi)地耦合至燃燒器總成以分別輸送空氣和燃料。
[0032]圖4描繪在圖2中被部分地?fù)踝〉娜剂蠚怏w組列56的透視圖。燃料可以包括多種適合的氣體，例如壓縮天然氣(CNG)。CNG的化學(xué)成分可以改變并且本文考慮到許多適合的成分。在一個(gè)實(shí)施方案中，CNG包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氮(N2)以及二氧化碳(CO2)。氣體組列56使燃料沿供應(yīng)管道64下行至由SSOV致動(dòng)器68所打開(kāi)并且關(guān)閉的安全截止閥(SS0V)66。致動(dòng)器68可以由連接至下游壓力源(如T形件70和氣體軟管72)的調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)。穿過(guò)氣體管72的流量可以由壓力開(kāi)關(guān)74支配，所述壓力開(kāi)關(guān)被適配來(lái)保持關(guān)閉，除非達(dá)到最小閾值氣壓(例如4.0英寸水柱)。在另一個(gè)實(shí)施例中，氣體組列56還可以具有低氣壓開(kāi)關(guān)(未圖示)，如果燃料壓力降到低于預(yù)定義的極限(如2.6英寸水柱)，那么所述低氣壓開(kāi)關(guān)允許SSOV致動(dòng)器68關(guān)閉。氣體組列56還可以包括手動(dòng)截止閥76，如I”球閥。氣體組列56在燃料入口凸緣58處終止，所述燃料入口凸緣連接至空氣燃料閥總成54(圖3)。
[0033]圖5描繪圖2中所示的熱水系統(tǒng)的橫截面?zhèn)纫晥D，圖6描繪燃燒器總成18的橫截面?zhèn)纫晥D，并且圖7描繪燃燒器總成18的分解透視圖。參照?qǐng)D5至圖7，換熱器總成14包括圓柱形殼體78,—個(gè)或多個(gè)換熱管20緊固在所述圓柱形殼體中。在一個(gè)實(shí)施例中，殼體78可以由不銹鋼制造。有待加熱的水從水入口管道12流入殼體78中并且離開(kāi)殼體流至水出口管道16。因?yàn)椴淮嬖谟糜诩訜岬乃膬?chǔ)水箱，所以系統(tǒng)10是一種即熱式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)10中僅有的水的容積是在殼體78的內(nèi)部中流動(dòng)的水的容積。
[0034]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，換熱管20包括以螺旋方式盤(pán)繞的外管80和同樣以螺旋方式盤(pán)繞的布置在外管80內(nèi)的內(nèi)管82。在一個(gè)示例構(gòu)造中，管板84被提供來(lái)將換熱管80、82緊固在換熱系統(tǒng)10的底部。管板84包括具有中心開(kāi)口的圓形、凸面不銹鋼板。薄板84具有被機(jī)械加工成銳角以容納螺旋纏繞管20的通孔。換熱管20同樣被彎曲成互補(bǔ)的銳角并且被銅焊至薄板84中。管板84可以沿其內(nèi)徑來(lái)銅焊或以其它方式密封至燃燒器總成18 (所述燃燒器總成配合所述管板的內(nèi)徑)并且沿其外徑來(lái)銅焊或以其它方式密封至殼體78。
[0035]在換熱器總成14的頂部處，換熱管80、82被銅焊并且以其它方式緊固至擋板總成86，所述擋板總成定位在熱水器的殼體78與燃燒室的頂部之間以使水流匯集在螺旋管20周?chē)醢蹇偝?6通過(guò)防止或至少減輕水垢堆積并且局部地降低表面溫度來(lái)提供雙重益處。在一個(gè)實(shí)施方案中，高速擋板總成86是具有同心孔或中心孔口的圓形不銹鋼板。擋板總成86可以包括延徑向繞擋板總成均勻分布的用以容納螺旋管20的機(jī)械加工孔。中心孔口提供將第二流體管道21內(nèi)的向上流動(dòng)的水引導(dǎo)或?qū)蛑辆植繀^(qū)域的益處。孔口提供收縮以局部地提高水速。在一個(gè)實(shí)施例中，孔口被設(shè)定尺寸來(lái)提供大于8英尺/秒的水速。通過(guò)提高局部水速，防止或至少顯著地延遲水垢在換熱管20的表面上的堆積，從而延長(zhǎng)換熱器的操作壽命。另外，提高局部水速保持部件表面溫度較冷。這在換熱器的頂部附近是特別重要的，因?yàn)樵谌紵业某隹谔帨囟茸罡?。由彈性體材料制成的擋板墊片88還可以安裝在擋板總成86與殼體78之間。擋板墊片88避免水在擋板總成86與殼體78之間流動(dòng)。
[0036]螺旋管20(例如，80、82)可以由不銹鋼制造并且可以在管外部表面上包括凹槽或類(lèi)似物。凹槽提高流過(guò)管20的水的速度并增大湍流，從而加強(qiáng)從熱氣體到水的熱傳遞。螺旋構(gòu)造還降低由管熱膨脹和收縮所引起的應(yīng)力。盡管所述管在各自末端處加以約束(例如，銅焊在管板84和擋板總成86處)，螺旋幾何結(jié)構(gòu)允許顯著的膨脹和收縮而不會(huì)使銅焊接點(diǎn)受過(guò)度應(yīng)力。
[0037]換熱器總成14的殼體78內(nèi)的部件，如換熱管20、管板84以及擋板總成86，可以包括腐蝕保護(hù)以減小來(lái)自新鮮水的腐蝕效應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，部件是無(wú)電鍍鎳的。在一個(gè)實(shí)施例中，鍍鎳可以在0.0003英寸至0.001英寸的范圍中。焊接和銅焊不銹鋼部件與提供無(wú)電鍍鎳精加工的組合延長(zhǎng)換熱器的壽命。
[0038]換熱器總成14進(jìn)一步包括燃燒器總成18以提供熱源，以便提高正在流入換熱管20中的水的溫度。在所示的實(shí)施方案中，燃燒器總成18與殼體78的底部拼合并且密封至所述底部。燃燒器總成18包括向上延伸穿過(guò)螺旋換熱管20的開(kāi)放中心部分的圓柱形燃燒室90。在燃燒室的終末端處、在殼體78的頂部附近，燃燒的產(chǎn)物(例如，熱氣體)被導(dǎo)向至定位在擋板總成86中的換熱管20的開(kāi)口端中。熱氣體然后向下流入在燃燒室的外部周?chē)墓?0中并且最后在總成的底座處離開(kāi)燃燒排氣歧管22。同時(shí)，水在朝上方向上在管20周?chē)鷱乃肟诠艿?2朝向在總成的頂部處的水出口管道16流動(dòng)。
[0039]圖7中描繪的是燃燒器總成18的分解透視圖。燃料/空氣混合物進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)側(cè)吸入歧管62并且在徑向燃燒室90中被點(diǎn)火。燃燒器總成18可以包括螺線管啟動(dòng)式點(diǎn)火器92和火焰檢測(cè)器94 (如火焰桿)，所述火焰檢測(cè)器的輸出被發(fā)送至系統(tǒng)微處理器38或CPU。在火焰桿指示燃燒已經(jīng)過(guò)早終止的情況下，CPU可以命令安全停機(jī)。燃燒器總成18還可以包括冷凝液護(hù)罩96以提供防潮層，以便保護(hù)點(diǎn)火器92和其它部件免受在溫度劇增、冷卻或類(lèi)似過(guò)程中可能從換熱管20滴下的液態(tài)水。燃燒器總成18安裝至吸入歧管62。在一個(gè)實(shí)施方案中，拼合板98用螺栓固定至吸入歧管62上的凸緣，并且高溫密封件100 (如Fiberfrax?墊片)保護(hù)吸入歧管免受由燃燒室90所產(chǎn)生的熱量。
[0040]圖8A至圖8D描繪圖5中所示的熱水系統(tǒng)10的外部透視圖。參照?qǐng)D5和圖8A至圖8D,熱水系統(tǒng)10可以包括密封燃燒外殼102,所述燃燒外殼提供超過(guò)常規(guī)外殼或機(jī)殼的操作優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)方面，外殼102提供調(diào)節(jié)到達(dá)燃燒器總成18的進(jìn)入空氣的裝置。在另一方面，外殼102提供保證熱水系統(tǒng)的安靜操作的裝置。
[0041]外殼102可以由薄板金屬面板制造并且以提供密封內(nèi)部環(huán)境的這樣一種方式來(lái)組裝。圖8A至圖8C描繪密封外殼102的一個(gè)實(shí)施方案。外殼102包括前門(mén)總成104和前面板106。盡管未在圖8A中示出，但是前門(mén)總成104打開(kāi)以提供對(duì)例如配電板、開(kāi)關(guān)、I/O接線箱總成、電源箱總成、可編程C-More RS232控制接口以及空氣過(guò)濾器52的接近。密封外殼102進(jìn)一步包括頂部面板108、底座封蓋面板110、右側(cè)面板112a以及左側(cè)面板112b。外殼102的后端面可以包括多個(gè)封蓋和面板以封閉水入口管道12、水出口管道16、進(jìn)氣端114、燃燒排氣歧管22、氣體組列連接件56，以及其它存水彎和排水管。在一個(gè)實(shí)施方案中，密封外殼102的后端面包括左后面板116、管蓋118、右上方后面板120、檢修面板122、右側(cè)面板124、右后下方面板126,以及后下方面板128。所述面板互鎖在一起或以其它方式緊固在一起以提供密封外殼。在一個(gè)實(shí)施方案中，面板包括整體的、快速釋放的、直角回轉(zhuǎn)鎖閂130以便易于接近主要部件以供更換和/或維修。鎖閂設(shè)計(jì)使整個(gè)外殼102在正常操作過(guò)程中保持緊密密封并且允許在不使用用于移除費(fèi)時(shí)緊固件的工具的情況下進(jìn)行維護(hù)。
[0042]在本發(fā)明的一個(gè)方面，外殼102提供調(diào)節(jié)到達(dá)燃燒器總成18的進(jìn)入空氣的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)節(jié)包括過(guò)濾空氣。外殼102界定用于燃燒空氣過(guò)濾系統(tǒng)的充氣室132 (圖5)。燃燒空氣過(guò)濾系統(tǒng)降低微米級(jí)顆粒進(jìn)入燃燒器總成18并且堵塞重要的燃燒器材料的可能性，所述燃燒器材料將會(huì)由于燃燒作用較差而另外需要昂貴的維護(hù)。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合至空氣燃料輸送系統(tǒng)50的空氣過(guò)濾器52定位在外殼內(nèi)，這樣使得用于空氣燃料閥總成54的空氣流從充氣室132抽入。在一個(gè)任選實(shí)施方案中，當(dāng)根據(jù)ISO 5011進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所公開(kāi)系統(tǒng)的過(guò)濾效率是處于從近似96%至近似99%的范圍中。
[0043]在另一個(gè)實(shí)施例中，外殼102通過(guò)使操作的溫度范圍穩(wěn)定化來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入的空氣。在這個(gè)方面，熱水系統(tǒng)10進(jìn)一步包括預(yù)熱的燃燒空氣輸送系統(tǒng)。由外殼102所界定的充氣室132用于緩和外部環(huán)境的溫度極限并且向處于穩(wěn)定溫度范圍內(nèi)的燃燒器總成18供應(yīng)空氣。例如，用于燃燒的外部空氣溫度通常在-20 °F至120 °F (_28.91:至48.9°0范圍內(nèi)變化，這表示系統(tǒng)必須適應(yīng)的140 T (77.8°C)的差異或增量。預(yù)熱的燃燒空氣輸送系統(tǒng)使操作空氣溫度范圍縮小成近似50 °卩至90 0F (10.(TC至32.2V )，即40 0F (22.2V )的增量。由于歸因于溫度變化的空氣密度的減小，這個(gè)較小的操作溫度范圍提高燃燒穩(wěn)定性。例如，當(dāng)外部溫度高于90 °?時(shí)，空氣與室內(nèi)空間空氣混合以降低其溫度。當(dāng)外部空氣低于50 0F時(shí)，因?yàn)橥鈿な歉魺岬模砸胪鈿?02中的空氣吸收其中熱量中的至少一些。
[0044]在本發(fā)明的另一方面，外殼102提供保證熱水系統(tǒng)的安靜操作的裝置。外殼102可以內(nèi)襯有聲學(xué)隔音材料134以便減小在操作過(guò)程中來(lái)源于外殼的周?chē)肼暋Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，當(dāng)裝置以100%的輸入(全容量)操作時(shí)，在外殼102外部所測(cè)量的聲壓級(jí)是近似55dBa。這個(gè)聲級(jí)可與在3.3英尺(Im)距離處的收音機(jī)或電視機(jī)的低音量設(shè)置相當(dāng)。在任選的實(shí)施方案中，隔離物134具有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn):使待機(jī)損耗降低至1%以下。
[0045]如以上所公開(kāi)，如水入口傳感器28、前饋傳感器30或水出口傳感器32的系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)輸出可以連接至被適配來(lái)操作熱水系統(tǒng)10或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健康狀況的處理器38(圖5)。在操作中，處理器 38的至少一部分(或在一些實(shí)施方案中，獨(dú)立的處理器)可以被構(gòu)造成動(dòng)態(tài)負(fù)載預(yù)感器。當(dāng)旁通泵26正在運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)負(fù)載預(yù)感器(DLA)可以響應(yīng)于來(lái)自前饋傳感器30的輸入而控制水出口溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，用一種算法對(duì)DLA編程以控制熱水器的出口溫度。在這個(gè)實(shí)施方案中，在基于前饋溫度傳感器30測(cè)量結(jié)果的變化的動(dòng)態(tài)負(fù)載(流量)變化下，將溫度控制到2 °F內(nèi)。處理器38命令對(duì)氣體點(diǎn)燃的空氣燃料燃燒系統(tǒng)18進(jìn)行例如5%至100%輸入的調(diào)制。
[0046]表1描繪可以被編程至處理器38中的一個(gè)示例算法。在這個(gè)實(shí)施例中，熱水系統(tǒng)10提供I百萬(wàn)BTU/小時(shí)以在136 °F的溫度下供應(yīng)50加侖/分鐘的連續(xù)水需求率，其中旁通泵26以近似15GPM進(jìn)行循環(huán)。前饋溫度傳感器30提供指示正在進(jìn)入換熱器總成14的混合水溫度的數(shù)據(jù)，當(dāng)與設(shè)定點(diǎn)溫度或所需出口溫度相比時(shí)，所述數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算有多少熱能需要被添加至換熱管20。因?yàn)閬?lái)自水出口管道16的加熱的水的至少一部分循環(huán)回到水入口管道12中，并且循環(huán)的流量是已知值或固定值，所以可以根據(jù)循環(huán)的流量斷定使溫度升高至設(shè)定點(diǎn)所需要的熱能的量。在任選的實(shí)施方案中，水出口傳感器32可以向處理器38提供正在離開(kāi)換熱器總成14的水的溫度以用于對(duì)算法的附加或補(bǔ)充計(jì)算。
表1
【權(quán)利要求】
1.一種熱水系統(tǒng)，其包括: 燃燒器總成，其用于提供熱能的來(lái)源，所述燃燒器總成包括燃燒室、向所述燃燒室供應(yīng)空氣流的進(jìn)氣口，以及向所述燃燒室供應(yīng)燃料的燃料入口 ； 換熱器總成，其可操作地耦合至所述燃燒室總成，所述換熱器總成包括第一流體管道，所述第一流體管道與第二流體管道處于換熱關(guān)系； 水入口管道，其耦合至所述換熱器總成以用于供應(yīng)有待加熱的新鮮水； 水出口管道，其耦合至所述換熱器總成以用于將加熱的水輸送至使用點(diǎn)； 旁通管道，其將所述水出口管道連接至所述水入口管道； 泵，其布置在所述旁通管道中以使來(lái)自所述水出口管道的所述加熱的水的至少一部分循環(huán)至所述水入口管道，從而向所述換熱器總成提供新鮮水和再循環(huán)水的混合物； 前饋傳感器，其定位在所述水入口管道中的位于所述換熱器總成與所述旁通管道之間以用于監(jiān)測(cè)正在進(jìn)入所述換熱器總成的所述混合水的參數(shù)；以及 處理器，其用于響應(yīng)于所述前饋傳感器而控制所述燃燒器總成的操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述換熱器總成是即熱式設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述燃燒器總成包括燃燒室，所述燃燒室被適配來(lái)燃燒燃料和氧化劑以形成氣態(tài)燃燒產(chǎn)物，所述熱水系統(tǒng)進(jìn)一步包括燃燒排氣歧管以將所述燃燒產(chǎn)物引導(dǎo)出所述熱水系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱水系統(tǒng)，其中所述第一流體管道包括換熱管，所述換熱管的第一末端耦合至所述燃燒器總成的所述燃燒產(chǎn)物，并且在所述換熱管的第二、相反末端處耦合至所述燃燒排氣歧管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱水系統(tǒng)，其中所述換熱管是螺旋的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱水系統(tǒng)，其中所述換熱管包括與內(nèi)部螺旋管處于圍繞關(guān)系的外部螺旋管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述前饋傳感器是溫度傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述處理器監(jiān)測(cè)所述前饋傳感器并且響應(yīng)于所述前饋傳感器而命令所述燃燒器總成的操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱水系統(tǒng)，其中所述處理器根據(jù)存儲(chǔ)在所述處理器中的算法而命令所述燃燒器總成的操作，所述算法具有作為輸入的來(lái)自所述前饋傳感器的讀數(shù)并且具有作為輸出的對(duì)所述燃燒器總成的調(diào)制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱水系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括空氣燃料輸送系統(tǒng)，所述空氣燃料輸送系統(tǒng)被適配來(lái)在燃料和氧化劑進(jìn)入所述燃燒器總成中之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)混合，所述燃燒器總成的所述調(diào)制包括所述空氣燃料輸送系統(tǒng)的空氣燃料閥位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱水系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括水出口傳感器，所述水出口傳感器用于監(jiān)測(cè)流入所述水出口管道中的所述加熱的水的參數(shù)，所述水出口傳感器定位在所述換熱器總成與所述旁通管道之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱水系統(tǒng)，其中所述水出口傳感器向存儲(chǔ)在所述處理器中的所述算法提供另一個(gè)輸入。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括水入口傳感器，所述水入口傳感器用于監(jiān)測(cè)流入所述水出口管道中的所述新鮮水的參數(shù)，所述水入口傳感器定位在所述旁通管道上游。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱水系統(tǒng)，其中出于確定所述旁通泵是否正在恰當(dāng)運(yùn)行的目的，所述處理器監(jiān)測(cè)所述水入口傳感器和所述前饋傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱水系統(tǒng)，其中所述處理器計(jì)算所述水入口傳感器與所述前饋傳感器之間的溫差，并且如果所述差異是可忽略的，那么所述處理器響應(yīng)于不同的參數(shù)而控制所述燃燒器總成的所述操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的 熱水系統(tǒng)，其中所述處理器響應(yīng)于所述水出口管道中的水出口溫度傳感器而控制所述燃燒器總成的所述操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述換熱器總成進(jìn)一步包括擋板總成以提高所述第二流體管道中的水的速度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的熱水系統(tǒng)，其中所述擋板總成包括板，所述板界定孔口，所述水的速度通過(guò)所述孔口而提高。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中所述泵是使恒定流量持續(xù)循環(huán)穿過(guò)所述旁通管道的恒流模型。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其中提供至所述換熱器總成的新鮮水與再循環(huán)水的所述混合物由近似40%新鮮水與近似60%再循環(huán)水的比率來(lái)界定。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱水系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括界定充氣室的密封外殼，所述充氣室耦合至所述燃燒器總成的所述進(jìn)氣口。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱水系統(tǒng)，其中所述充氣室在所述外殼內(nèi)提供燃燒空氣過(guò)濾系統(tǒng)，所述燃燒空氣過(guò)濾系統(tǒng)包括空氣過(guò)濾器，所述空氣過(guò)濾器耦合至所述燃燒器總成以將空浮微粒從進(jìn)氣流中移除。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱水系統(tǒng)，其中當(dāng)根據(jù)ISO5011進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所述空氣過(guò)濾器提供處于從近似96 %至近似99 %的范圍中的過(guò)濾效率。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱水系統(tǒng)，其中所述充氣室提供預(yù)熱燃燒空氣輸送系統(tǒng)以減輕所述外殼外部的溫度極限，當(dāng)所述外部溫度處于從近似-20 °F至近似120 °?的范圍中時(shí)，所述預(yù)熱燃燒空氣輸送系統(tǒng)向所述燃燒器總成提供處于近似50 °F至近似90 °F的溫度范圍的進(jìn)氣。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱水系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括耦合至所述外殼的內(nèi)部表面的聲學(xué)隔音材料，以便減小在操作過(guò)程中來(lái)源于所述外殼的周?chē)肼暋?br> 26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的熱水系統(tǒng)，其中當(dāng)所述熱水系統(tǒng)以全容量操作時(shí)，在所述外殼外部所測(cè)量的聲壓級(jí)是近似55dBa。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱水系統(tǒng)，其中所述旁通管道定位在所述外殼內(nèi)。
【文檔編號(hào)】F24H9/00GK103732998SQ201280006941
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月28日
【發(fā)明者】克雷格·埃文斯, 克雷格·E·威廉姆斯, 厄爾·賴(lài)特邁爾 申請(qǐng)人:熱高國(guó)際公司