Пристрій нагрівання води і спосіб для вимірювання сили струму полум’я в полум’ї в пристрої нагрівання води

Реферат: Винахід стосується пристрою нагрівання води, який містить пальник (20) і пристрій (100) вимірювання сили струму полум'я для вимірювання сили струму полум'я, при цьому пристрій вимірювання містить два електроди і джерело (14) напруги, де кожний з полюсів (18, 19) джерела напруги з'єднаний з одним з електродів. Пристрій нагрівання води додатково містить теплообмінник (40), який електрично ізольований відносно пальника. Пальник і теплообмінник тут утворюють електроди пристрою вимірювання сили струму полум'я. Теплообмінник, який діє як електрод, може бути заземлений (41). Виміряна сила струму полум'я може бути використана для визначення коефіцієнта надлишку повітря при горінні. Пристрій нагрівання води може додатково містити регулятор повітря/паливо для регулювання співвідношення повітря/паливо, при цьому регулятор повітря/паливо використовує певний коефіцієнт надлишку повітря для регулювання співвідношення повітря/паливо. Винахід також стосується способу вимірювання сили струму полум'я в полум'ї. UA 114485 C2 (12) UA 114485 C2 UA 114485 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід стосується пристрою нагрівання води, який містить пальник і пристрій вимірювання сили струму полум'я для вимірювання сили струму полум'я, при цьому пристрій вимірювання містить два електроди і джерело напруги, причому кожний з полюсів джерела напруги з’єднаний з одним з електродів. Винахід також стосується способу для вимірювання сили струму полум'я в полум'ї в пристрої нагрівання води. Такий пристрій нагрівання води і спосіб відомі, наприклад, з WO 2010/094673 A1. У пристроях нагрівання води вода нагрівається. Це звичайно здійснюється за рахунок використання теплоти горіння. Прикладами є масляні або працюючі на газі бойлери. Під час горіння палива потрібний кисень, який, як правило, витягується з навколишнього повітря. Відносно газоподібного палива, паливо і кисень або паливо і повітря звичайно попередньо змішують, після чого суміш згоряє. Якщо дуже мало кисню в суміші, буде відбуватися неповне згоряння. Окис вуглецю (СО) й інші речовини в цей час виділяються. Окис вуглецю є токсичним і його виділення тому завжди повинне бути відвернене. Пристрої горіння для побутового використання, отже, завжди встановлюються таким чином, що надмірний кисень доступний, тому повне згоряння можливе. Що більшим стає надмірний кисень, то менш ефективним є горіння, оскільки воно вимагає більше енергії для змішування палива і повітря або кисню, це без горіння, який виробляє більше енергії, але головним чином тому, що надлишок повітря без потреби нагрівається, частина цього тепла випаровується назовні з надлишком через випускання димового газу. Пристрої для горіння тому звичайно встановлюються так, що надмірний кисень доступний, але цей надлишок не повинен бути дуже великим. Ступінь надлишку представлений коефіцієнтом  надлишку повітря, який також називається показником. Цей коефіцієнт являє собою коефіцієнт, при якому надмірне повітря присутнє у відносно мінімальній кількості, необхідній для (теоретично) досягнення повного згоряння. Пристрої нагрівання води встановлюються на практиці так, що коефіцієнт  надлишку повітря знаходиться приблизно між 1.2 і 1.3. У звичайних пристроях нагрівання води коефіцієнт  надлишку повітря регулюється механічно, регулювальним газовим блоком. У більш сучасних пристроях нагрівання води коефіцієнт  надлишку повітря регулюється електронно. У тих випадках, коли механічне регулювання є прямим регулюванням, яке встановлюється виробником і/або під час встановлення (а в деяких випадках, з часом, під час технічного обслуговування) інженером, електронне регулювання забезпечує велику можливість регулювання зі зворотним зв'язком. Для цілей регулювання зі зворотним зв'язком, однак, повинне бути виконане вимірювання, що дає можливість прямо або непрямо визначити коефіцієнт  надлишку повітря. Використовують для цього вимірювання, серед іншого, вимірювання сили струму полум'я. Це вимірювання вже здійснюється в багатьох пристроях нагрівання води, як частина виявлення полум'я. Пристрої горіння використовують горіння текучого середовища, відповідно до чого існує ризик небезпеки вибуху, якщо клапан в подачі для текучого середовища відкритий, в той час, як горіння не відбувається (певний час), наприклад, в результаті задування полум'я. Простір, в якому пристрій горіння розташований, буде в цьому випадку заповнюватися горючим або вибухонебезпечним текучим середовищем, і утворення єдиної іскри може в цей момент мати катастрофічні наслідки. Для того, щоб усунути або щонайменше зменшити цю небезпеку, використовується виявлення полум'я. Виявлення полум'я гарантує, що, якщо полум'я більше не виявляється, сигнал відкривання на паливний клапан припиняється, в результаті чого паливний клапан перекривається і не буде подальшої подачі палива. Дуже поширений спосіб виявлення полум'я за допомогою іонізаційного запобіжного пристрою. Цей спосіб використовує вимірювання сили струму полум'я. Використовується той факт, що жар полум'я іонізує молекули газу, наприклад в повітрі. На фіг. 1 показаний приклад 10 такого вимірювання сили струму полум'я. Суміш горючого газу і повітря випускається з пальника 20. У полум'ї 30 газ згоряє з киснем із повітря. Електрод 12 розташований в або близько до полум'я 30. Джерело 14 змінної напруги з’єднане через конденсатор 16 або, в деяких випадках, опір до електрода 12. Інший полюс джерела 14 змінної напруги з’єднаний з (провідним) теплообмінником 40. Це створює змінне електричне поле над полум’ям 30. У зв'язку з іонізуючою дією полум'я заряджені частинки присутні між електродом 12 і теплообмінником 40. Невеликий струм при цьому протікає між електродом 12 і теплообмінником 40. Провідність, яка виникає від змінного електричного поля, є, однак, не однаковою в обох напрямках. На фіг. 2 показана електрична еквівалентна принципова схема полум'я при вимірюванні сили струму полум'я за фіг. 1. Опір 32 являє собою складову струму витоку через полум'я, який 1 UA 114485 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 є однаковим для обох напрямків струму, а опір 36 представляє додаткову складову струму витоку в напрямку, в якому провідність більша. Складова струму витоку через опір 32 набагато менша, ніж складова струму витоку через опір 36. Діод 34 гарантує, що ця складова виникає тільки в одному напрямку. Діодний ефект гарантує, що змінна напруга між затискачами 18 і 19 (таким чином між електродом 12 і теплообмінником 40) набуває складову напруги постійного струму. Конденсатор 16 передбачений для розділення складової змінної напруги і складової напруги постійного струму. Складова напруги постійного струму може бути виміряна вище конденсатора 16. Доти, доки полум'я 30 присутнє між електродом 12 і теплообмінником 40, складова напруги постійного струму присутня між затискачами 18 і 19 і вимірюється вище конденсатора 16. Тому доти, доки складова напруги постійного струму виявляється, іонізаційний запобіжний пристрій буде залишати подачу газу в пальник 20 відкритою. Однак, якщо складова напруги постійного струму зникає, подача газу тоді перекривається. Ступінь іонізації полум’ям, проте, також надає інформацію про повноту згоряння в полум'ї 30. Якщо коефіцієнт  надлишку повітря змінюється від максимального значення =1, потім записується у виміряну силу струму полум'я. Вимірювання сили струму полум'я може тому також бути використане для визначення коефіцієнта  надлишку повітря. Використовуючи ці дані, регулятор надлишку повітря може регулювати коефіцієнт  надлишку повітря. Виміряна сила струму полум'я, однак, залежить не тільки від коефіцієнта надлишку повітря. Розмір полум'я, відстань від полум'я до електрода 12 і до теплообмінника 40 і стан електрода 12 і теплообмінника 40 (наприклад, ступінь утворення нагару, ступінь корозії і т. п.) й інші фактори також впливають на виміряну силу струму полум'я. Вищезазначений документ WO 2010/094673 A1 описує пальник, забезпечений системою для виявлення полум'я і контролю газ/повітря за допомогою двох або більше вимірювальних наконечників на різних відстанях від поверхні пальника. Вимірювальні наконечники з’єднані тут паралельно і утворюють перший електрод, а пальник утворює другий електрод або масу. Коли полум'я горить, струм генерується над одним із вимірювальних наконечників або обома вимірювальними наконечниками і землею (пальником), який вимірюється в електричній складовій і, за необхідності, посилюється. Вихідний сигнал від цієї складової йде на схему керування, яка регулює подачу повітря і подачу газу до пальника. Японський документ JP 56-74519 описує пальник із системою для виявлення екстремального полум'я, яке виникає у випадку неповного згоряння. Ця система основана на двох електродах, один з яких утворений теплопоглинаючими ребрами на деякій відстані від пальника, а інший електрод (маса) утворюється пальником. У випадку неповного згоряння полум'я вступає в контакт із ребрами, в результаті чого генерується постійний струм. Цей постійний струм подається на схему керування, яка, зрештою, перекриває електромагнітний клапан,в результаті чого подача газу до пальника уривається і полум'я гасне. Тут немає згадки про регулювання газ/повітря, а тільки про відключення пальника. Нарешті, система виявлення полум'я також описана в Американській публікації патенту США 2010/159408 з двома електродами, які живляться змінною напругою. Задачею даного винаходу є забезпечення вимірювання сили струму полум'я, яке менше залежить від вищевикладених впливів. Відповідно до першого аспекту винаходу ця задача досягається в пристрої нагрівання води, описаного вище типу, з теплообмінником, який електрично ізольований відносно пальника, при цьому пальник і теплообмінник утворюють електроди пристрою вимірювання сили струму полум'я. На відміну від попереднього рівня техніки, де в доповнення до теплообмінника спеціальний вимірювальний наконечник присутній як електрод пристрою вимірювання сили струму полум'я, цей спеціальний вимірювальний наконечник опущений в даному винаході. Це пальник, який діє як "вимірювальний наконечник". Завдяки розміру пальника і теплообмінника вимірювання сили струму полум'я менш чутливе до змін у відстані між полум’ям і електродами порівняно з чутливістю до змін відстані між полум’ям і спеціальним вимірювальним наконечником за попереднім рівнем техніки вимірювання сили струму полум'я. Зокрема, відносно пристроїв нагрівання води з відносно великим пальником вимірювання сили струму полум'я стає менш залежним від розміщення "електрода" відносно полум'я за рахунок великої площі поверхні обох: і пальника, і теплообмінника. Пальники в пристроях нагрівання води заявника мають ширину, що змінюється між 10 см і 40 см. Більша площа поверхні пальника і теплообмінника також приводить до меншої чутливості до відкладень на теплообміннику, наприклад, сажі, ніж чутливість спеціального вимірювального наконечника за попереднім рівнем техніки. Пальник також завжди розташований проти потоку відносно полум'я, так що пальник має набагато менше проблем з осіданням сажі. Пальник додатково також охолоджується текучою газовою 2 UA 114485 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сумішшю, тоді, як в попередньому рівні техніки вимірювальний наконечник, як правило, розміщений в самому полум'ї. Оскільки сила струму полум'я також залежить від температури електродів, вимірювання сили струму полум'я відповідно до винаходу менше залежить від абсолютної температури, а також менше залежить від коливань температури, наприклад, у результаті вмикання і вимикання пальника. Відстань між пальником і полум’ям додатково більше не залежить від змін під час конструювання пристрою нагрівання води, оскільки ця відстань визначається, головним чином, швидкістю випущення суміші повітря/паливо, а вже не позицією вимірювального наконечника відносно пальника. Додаткова перевага полягає в тому, що через більшу площу поверхні електродів, більша сила струму полум'я також починає текти. Якщо сила струму полум'я з вимірювальним наконечником (WO 2010/094673 або США 2010/159408) або ребрами (JP 56-74915) відповідно до попереднього рівня техніки генерує декілька мікроампер, сила струму полум'я в даному винаході становить від декількох сотень до декількох тисяч мікроампер, наприклад, близько 1000 µА. Вимірювання сили струму полум'я, таким чином, стає менш чутливим до перешкод, і менш суворі вимоги можуть бути встановлені для попереднього підсилювача, який посилює силу струму полум'я до застосовної величини. Існує також величезне збільшення в роздільній здатності. Існує велика різниця у виміряному струмі витоку у випадку повного згоряння (близько до =1) і згоряння, яке не належним чином відрегульоване (