Sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody oraz urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G05D 23/19 ( ) F24D 19/10 ( ) F24H 9/20 ( ) (54) Sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody oraz urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/05 (73) Uprawniony z patentu: PRZEDSIĘBIORSTWO PRODUKCYJNO- USŁUGOWO-HANDLOWE GECO SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Cholerzyn, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/13 (72) Twórca(y) wynalazku: PAWEŁ KOŹBIAŁ, Kraków, PL PIOTR GĘBIK, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Teresa Karczmitowicz

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody oraz urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody. Znane są przepływowe podgrzewacze wody użytkowej, stosowane zwłaszcza w gospodarstwach domowych, charakteryzujące się odmiennymi sposobami regulacji temperatury wody oraz różnymi układami do regulacji temperatury wody. Znany jest z patentu polskiego nr PL B1 sposób sterowania pracą podgrzewacza przepływowego, polegający na załączaniu wielowyjściowego stabilizatora temperatury wyjściowej przepływającego płynu przez dwustawny regulator temperatury wyposażony w termiczny czujnik przepływu, który jest ochładzany przepływającym płynem lub ogrzewany ciepłem zgromadzonym w grzejniku przepływowym przy braku przepływu. Elektroniczny układ sterowania zawiera impulsowo-czasowy regulator temperatury o charakterze proporcjonalnym, który jest zbudowany na równoległym przetworniku analogowo-cyfrowym połączonym na wejściu poprzez sumator z czujnikiem temperatury wyjściowej i generatorem przebiegów liniowych, zaopatrzonym w nastawniki okresu i amplitudy. Wejścia przetwornika AC ustalające jego rozdzielczość połączone są z nastawnikiem zadanej temperatury wyjściowej oraz z szeregowo połączonymi rezystorami, przez które przepływa prąd stały zadawany nastawnikiem ze sterowanego źródła prądowego. Wejścia bramek iloczynu logicznego są połączone z przetwornikiem AC, generatorem impulsów szpilkowych, dwustawnym regulatorem temperatury wykrywającym przepływ płynu, zaopatrzonym w termiczny czujnik przepływu oraz nastawnik zadanej temperatury progowej. Znane jest też z polskiego patentu nr PL B1 urządzenie do sterowania doprowadzaniem energii grzewczej do uzwojeń grzejnych elektrycznego ogrzewacza przepływowego, wyposażone w czujnik natężenia przepływu cieczy, czujnik temperatury wody wpływającej, czujnik przekroczenia temperatury i miernik napięcia włączone w elektryczny układ sterujący. Dopływ energii grzewczej do uzwojeń grzejnych jest sterowany objętościowym natężeniem przepływu cieczy, mierzonym przez czujnik natężenia przepływu. W czasie pracy bez zakłóceń dopływ energii grzewczej zostaje przerwany przez pierwszy zestaw wyłączników wtedy, gdy objętościowe natężenie przepływu cieczy jest niższe od zadanej wartości minimalnej. Napięcie elektryczne uzwojeń grzejnych jest odczytywane za pomocą mierników, a dopływ energii grzewczej zostaje odcięty przez nadajnik wyłącznika bezpieczeństwa i przez sterowany cewką drugi zestaw wyłączników wtedy, gdy występuje napięcie elektryczne na uzwojeniach grzejnych, a objętościowe natężenie przepływu cieczy jest mniejsze od zadanej wartości minimalnej. Z polskiego opisu patentowego nr PL B1 znany jest przepływowy ogrzewacz wody oraz jego układ połączeń, w którym wkład grzejny zawiera zestaw grzałek, połączonych elektrycznie z przekaźnikami. W korpusie zespołu wodnego znajduje się komora pomiarowa przepływu wody, a zespół sterujący składa się z wyłącznika, który z jednej strony jest połączony poprzez mikrowyłącznik z przekaźnikiem, zaś z drugiej strony z komorą pomiarową przepływu wody. Układ połączeń przepływowego ogrzewacza wody charakteryzuje się tym, że poszczególne elementy grzejne połączone są niezależnie od siebie jednym biegunem ze źródłem napięcia, a drugim z odpowiadającym sobie przekaźnikiem, przy czym każdy przekaźnik połączony jest z oddzielnym mikrowyłącznikiem oraz z właściwym elementem sygnalizacyjnym, zaś mikrowyłączniki poprzez przekaźnik mocy i wyłącznik termiczny połączone są z zasilaniem. Z patentu polskiego nr PL B1 znany jest także elektryczny przepływowy podgrzewacz wody posiadający zespół grzejny umieszczony nad blokiem wodnym i połączony z nim poprzez przewód zasilania wodą zimną i przewód odbioru wody ciepłej. Zespół grzejny składa się z szeregu współosiowo umieszczonych przewodów rurowych, usytuowanych jeden nad drugim. Na całej długości przewodów, w ich wewnętrznym płaszczu umieszczony jest wkład grzewczy, którego zewnętrzny płaszcz posiada spiralnie nawinięty przewód. Blok wodny posiada wgłębienie do osadzania na osi turbinki z parzystą liczbą łopatek, na których osadzone są jednobiegunowe magnesy. W korpusie bloku znajdują się kanały doprowadzenia wody zimnej i kanał odbioru wody ciepłej. Opisane powyżej znane rozwiązania charakteryzują się skomplikowaną konstrukcją, przy której istnieje duże ryzyko wysokiej awaryjności układów sterowania temperatury w podgrzewaczu. Wszystkie wymienione rozwiązania oparte są zastosowaniu podukładu mierzącego za pomocą dedykowanego czujnika termicznego, mechanicznego lub innego przepływ wody, co z jednej strony zwiększa awaryjność podgrzewacza, a z drugiej - zwiększa koszty jego produkcji i serwisowania.

3 PL B1 3 Pojawia się zatem problem zmniejszenia stopnia złożoności układu sterowania w elektrycznym przepływowym podgrzewaczu wody użytkowej, przy zachowaniu pełnej kontroli użytkownika nad parametrami pracy podgrzewacza, w szczególności nad ustawianą pożądaną temperaturą wody użytkowej. Jednocześnie praca podgrzewacza powinna być bezpieczna, a w szczególności podgrzewacz powinien się automatycznie wyłączać w przypadku ustania poboru wody użytkowej. Rozwiązanie nakreślonego powyżej problemu technicznego opiera się na nieznanej z żadnych wcześniejszych doniesień obserwacji, że z chwilą zaprzestania poboru wody użytkowej gwałtownie rośnie temperatura wskazywana przez czujnik temperatury wody użytkowej, który jest umieszczony na wylocie podgrzewacza. Zatem stwierdzenie, że w krótkim czasie gwałtownie rośnie temperatura na wylocie podgrzewacza, czyli zanotowanie dużej wartości gradientu czasowego temperatury jest sygnałem, że ustał pobór wody użytkowej. Na tej podstawie układ sterujący pracą podgrzewacza wyłącza zasilanie grzałek. Analogicznie stwierdzenie, że w krótkim czasie gwałtownie maleje temperatura na wylocie podgrzewacza, czyli zanotowanie ujemnej wartości gradientu czasowego temperatury jest sygnałem, że nastąpił pobór wody użytkowej. Na tej podstawie układ sterujący pracą podgrzewacza włącza zasilanie grzałek. Detekcja zapoczątkowania przepływu wody przez podgrzewacz następuje na podstawie pomiaru spadku temperatury na czujniku temperatury wody wylotowej-użytkowej, w ten sposób, że jeżeli ujemna wartość przyrostu temperatury w ustalonym czasie pomiaru, czyli ujemna wartość gradientu czasowego temperatury jest mniejsza od pewnej ujemnej wartości progowej, to oznacza, że nastąpiło rozpoczęcie przepływu wody. Wykrycie przez urządzenie przepływu wody przez podgrzewacz inicjuje proces automatycznej regulacji, w którym urządzenie do regulacji temperatury wylicza na podstawie wartości zmian temperatury na wylocie podgrzewacza i szybkości tych zmian (tj. wartości gradientu czasowego temperatury) moc grzewczą potrzebną do stabilizacji żądanej temperatury wody użytkowej, nastawionej przez użytkownika. Z kolei w przypadku zatrzymania przepływu wody przez podgrzewacz następuje gwałtowny wzrost temperatury na czujniku temperatury wody wylotowej - użytkowej. Po przekroczeniu nastawionej temperatury o zadaną wartość, czyli po zanotowaniu gradientu czasowego temperatury wody użytkowej większego od zadanej wartości progowej, następuje odłączenie zasilania elementów grzewczych i ponowne oczekiwanie na detekcję przepływu wody przez podgrzewacz. Sterowanie mocą wyjściową ogrzewacza odbywa się poprzez załączanie odpowiedniej liczby grzałek. Wartość mocy wyjściowej ogrzewacza jest obliczana na podstawie wartości temperatury wody wlotowej, mierzonej za pomocą czujnika temperatury umieszczonego na wlocie podgrzewacza, temperatury wody wylotowej - użytkowej, mierzonej za pomocą czujnika temperatury umieszczonego na wylocie podgrzewacza oraz pożądanej temperatury nastawionej przez użytkownika, z wykorzystaniem algorytmu proporcjonalno- całkująco-różniczkującego (PID). Sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody, w którym mierzy się temperaturę wody zasilającej na wlocie podgrzewacza i temperaturę wody użytkowej na wylocie podgrzewacza oraz oblicza się wymaganą moc grzewczą z wykorzystaniem algorytmu proporcjonalnocałkująco-różniczkującego (PID), według wynalazku charakteryzuje się tym, że za pomocą czujnika temperatury wody użytkowej mierzy się temperaturę na wylocie podgrzewacza, a detekcja przepływu wody przez podgrzewacz następuje na podstawie pomiaru spadku temperatury na czujniku temperatury wody użytkowej, przy czym wyznacza się moc grzewczą potrzebną do stabilizacji zadanej temperatury wody użytkowej nastawionej przez użytkownika i wyznacza się gradient czasowy zmierzonej temperatury wody użytkowej w zadanych przedziałach czasowych, przy czym dodatni gradient czasowy temperatury wody użytkowej większy od zadanej uprzednio pierwszej wartości progowej oznacza zamknięcie przepływu wody i wówczas odłącza się zasilanie od elementów grzewczych, po czym oczekuje się na wystąpienie ujemnego gradientu czasowego temperatury wody użytkowej mniejszego od zadanej uprzednio drugiej wartości progowej, oznaczającego otwarcie przepływu wody i wówczas na podstawie wartości temperatury wody użytkowej i gradientu czasowego temperatury wody użytkowej oraz na podstawie wartości temperatury wody zasilającej wyznacza się moc grzewczą potrzebną do osiągnięcia i utrzymania uprzednio zadanej temperatury wody użytkowej i stosownie do wyznaczonej wartości mocy grzewczej włącza się kolejne elementy grzewcze. Sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody w korzystnym wariancie polega na tym, że wymaganą moc grzewczą wyznacza się cyklicznie w zadanych przedziałach czasowych, aż do wystąpienia gradientu czasowego temperatury wody użytkowej większego niż pierwsza wartość progowa.

4 4 PL B1 Urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody, do stosowania sposobu określonego powyżej, zawierające moduł sterujący zawierający wyświetlacz i mikrokontroler sterujący oraz połączony z elementem nastawczym do zadawania temperatury wody użytkowej i połączony z modułem wykonawczym zawierającym przekaźniki, triak, blok zasilania oraz blok pomiarowy połączony z czujnikami temperatury i zasilaczem, charakteryzuje się tym, że zawiera środki do wyznaczania gradientu czasowego temperatury wody użytkowej mierzonej za pomocą czujnika temperatury wody użytkowej, środki do odłączenia zasilania od elementów grzewczych w przypadku gdy dodatni gradient czasowy temperatury wody użytkowej jest większy od zadanej uprzednio pierwszej wartości progowej, środki do wyznaczenia mocy grzewczej potrzebnej do osiągnięcia i utrzymania uprzednio zadanej temperatury wody użytkowej oraz środki do włączania zasilania kolejnych elementów grzewczych, stosownie do wyznaczonej wartości mocy grzewczej, w przypadku gdy ujemny gradient czasowy temperatury wody użytkowej jest mniejszy od zadanej uprzednio drugiej wartości progowej. Sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody oraz urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody są bliżej objaśnione w przykładzie realizacji na schematycznym rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój podłużny przepływowego podgrzewacza wody, Fig. 2 przedstawia jego przekrój poprzeczny, Fig. 3 przedstawia schemat połączeń grzałek w przepływowym podgrzewaczu wody, a Fig. 4 przedstawia schemat blokowy urządzenia do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody. Wewnątrz obudowy 1 przepływowego podgrzewacza wody umieszczone są grzałki G1, G2, G3, G4. W pobliżu wlotu wody do podgrzewacza umieszczony jest rezystancyjny czujnik temperatury T1 wody wlotowej, a w pobliżu wylotu wody z podgrzewacza umieszczony jest rezystancyjny czujnik temperatury T2 wody wylotowej - użytkowej. Czujniki temperatury T1, T2 umieszczone są w studzienkach pomiarowych 3. Grzałki G1, G2, G3 są zasilane napięciem międzyfazowym poprzez przekaźniki PK1, PK2, PK3 załączane kaskadowo, zaś grzałka G4 jest sterowana płynnie poprzez przekaźnik zabezpieczający PK4 za pomocą triaka i zasilana jest napięciem fazowym, przez co jej moc jest ograniczona. Urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody ma sterownik złożony z modułu sterującego MS oraz modułu wykonawczego MW. Moduł sterujący MS zawiera mikrokontroler sterujący MKS i wyposażony jest w wyświetlacz W oraz potencjometr PNT do nastawiania przez użytkownika zadanej temperatury wody. Moduł wykonawczy MW złożony jest z bloku pomiarowego BP zawierającego wejścia czujników temperatury T1, T2 oraz zabezpieczenia, bloku zasilania BZ zawierającego transformator, prostownik oraz filtr i zasilanego napięciem fazowym, oraz bloku wykonawczego zawierającego przekaźniki PK1, PK2, PK3, PK4 oraz triak. Sterowanie mocą wyjściową przepływowego podgrzewacza wody odbywa się poprzez załączanie odpowiedniej liczby grzałek spośród G1, G2, G3, G4. Wartość mocy jest określana na podstawie wskazań czujnika temperatury T1 wody wlotowej, czujnika temperatury T2 wody użytkowej oraz pożądanej wartości temperatury zadanej przez użytkownika, z użyciem algorytmu proporcjonalno-całkująco -różniczkującego (PID). Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody, w którym mierzy się temperaturę wody zasilającej na wlocie podgrzewacza i temperaturę wody użytkowej na wylocie podgrzewacza oraz oblicza się wymaganą moc grzewczą z wykorzystaniem algorytmu proporcjonalnocałkująco-różniczkującego (PID), znamienny tym, że za pomocą czujnika temperatury wody użytkowej (T2) mierzy się temperaturę na wylocie podgrzewacza, a detekcja przepływu wody przez podgrzewacz następuje na podstawie pomiaru spadku temperatury na czujniku temperatury wody użytkowej (T2), przy czym wyznacza się moc grzewczą potrzebną do stabilizacji zadanej temperatury wody użytkowej nastawionej przez użytkownika, i wyznacza się gradient czasowy zmierzonej temperatury wody użytkowej w zadanych przedziałach czasowych, przy czym dodatni gradient czasowy temperatury wody użytkowej większy od zadanej uprzednio pierwszej wartości progowej oznacza zamknięcie przepływu wody i wówczas odłącza się zasilanie od elementów grzewczych (G1, G2, G3, G4), po czym oczekuje się na wystąpienie ujemnego gradientu czasowego temperatury wody użytkowej mniejszego od zadanej uprzednio drugiej wartości progowej, oznaczającego otwarcie przepływu wody i wówczas na podstawie wartości temperatury wody użytkowej i gradientu czasowego temperatury wody użytkowej oraz na podstawie wartości temperatury wody zasilającej wyznacza się moc grzewczą

5 PL B1 5 potrzebną do osiągnięcia i utrzymania uprzednio zadanej temperatury wody użytkowej i stosownie do wyznaczonej wartości mocy grzewczej włącza się kolejne elementy grzewcze (G1, G2, G3, G4). 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wymaganą moc grzewczą wyznacza się cyklicznie w zadanych przedziałach czasowych, aż do wystąpienia gradientu czasowego temperatury wody użytkowej większego niż pierwsza wartość progowa. 3. Urządzenie do regulacji temperatury w przepływowym podgrzewaczu wody, do stosowania sposobu określonego w zastrz. 1 albo 2, zawierające moduł sterujący zawierający wyświetlacz i mikrokontroler sterujący oraz połączony z elementem nastawczym do zadawania temperatury wody użytkowej i połączony z modułem wykonawczym zawierającym przekaźniki, triak, blok zasilania oraz blok pomiarowy połączony z czujnikami temperatury i zasilaczem, znamienne tym, że zawiera środki do wyznaczania gradientu czasowego temperatury wody użytkowej mierzonej za pomocą czujnika temperatury wody użytkowej (T2), środki do odłączenia zasilania od elementów grzewczych (G1, G2, G3, G4) w przypadku gdy dodatni gradient czasowy temperatury wody użytkowej jest większy od zadanej uprzednio pierwszej wartości progowej, środki do wyznaczenia mocy grzewczej potrzebnej do osiągnięcia i utrzymania uprzednio zadanej temperatury wody użytkowej oraz środki do włączania zasilania kolejnych elementów grzewczych (G1, G2, G3, G4), stosownie do wyznaczonej wartości mocy grzewczej, w przypadku gdy ujemny gradient czasowy temperatury wody użytkowej jest mniejszy od zadanej uprzednio drugiej wartości progowej. Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)