УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ ПЛАМЕНИ Российский патент 2002 года по МПК F23N5/24 

Заявляемое устройство относится к энергетике, а именно к автоматизации процессов горения в водогрейных аппаратах.

Известно "Устройство контроля пламени в камере сгорания водонагревателя" (а. с. СССР 669153, F 23 N 5/24, опубл. 25.06.1979, бюл. 23). Устройство относится к автоматизации процессов горения в водогрейных аппаратах, обеспечивает возможность автоматической подачи газа к запальной и рабочей горелкам при наличии пламени запальника и автоматическое прекращение подачи газа к горелкам при погасании пламени.

Устройство контроля пламени в камере сгорания водонагревателя содержит последовательно соединенные биметаллический чувствительный элемент с соплом-заслонкой, датчик тяги, мембранный узел блокировки запальника с клапаном подачи топлива.

Контроль пламени в устройстве реализуется следующим образом. Биметаллический элемент деформируется под действием пламени запальной горелки. Деформированная биметаллическая пластина воздействует на узел блокировки запальника с клапаном, обеспечивая поступление топлива к запальной и основной горелкам. При погасании пламени запальной горелки биметаллический элемент и узел блокировки возвращаются в исходное состояние. При этом прекращается подача топлива к запальной и основной горелкам.

Известно "Устройство контроля наличия пламени" (а.с. СССР 352091, F 23 N 5/24, опубл. 21.09.1972, бюл. 28). Устройство относится к приборам контроля наличия пламени в газовой аппаратуре.

Устройство содержит запальник с огневыми отверстиями, штуцер с обратным соплом, заслонку со штоком, пружину, биметаллическую пластину.

При отсутствии пламени запальника биметаллическая пластина удерживает штуцер с обратным соплом в открытом состоянии, поддерживая тем самым закрытое состояние клапана подачи газа к горелке. При наличии пламени биметаллическая пластина изгибается, отходит в сторону, обратный клапан, расположенный в штуцере, с помощью пружины и заслонки со штоком закрывается, клапан подачи газа к горелке открывается. Устройство обеспечивает более низкую температуру биметаллической пластины в рабочем режиме, тем самым повышает ее долговечность, имеет простое конструктивное исполнение.

Недостатком устройств является большое время реакции как на появление, так и на погасание пламени. С одной стороны, инерционность устройства естественна, поскольку температура чувствительного элемента не может измениться мгновенно при появлении или погасании нагревающего его пламени. С другой стороны, требуется значительный, не менее 100^oC, перепад температур как при розжиге пламени, так и при его погасании. Кроме того, на увеличение времени реакции устройства при погасании пламени большую роль оказывает высокая температура топки водогрейного агрегата, в которой (либо вблизи которой) находится чувствительный элемент.

Известно "Устройство контроля факела" (а.с. СССР 416524, F 23 N 5/24, опубл. 25.02.1974, бюл. 7). Устройство относится к приборам контроля факела горелок в котлах малой и средней мощности при сжигании газа. Устройство для контроля факела содержит биметаллический чувствительный элемент, соединенный с толкателем, направляющую, которая одновременно является смесителем горелки 1, горелку (запальную горелку), клапан импульсного газа.

В конструкции устройства для ускорения нагрева биметаллической пластины и, соответственно, уменьшения инерции устройства используются две горелки. Горелка 1, которая питается от импульсного клапана и работает только во время начального прогрева биметаллической пластины, и горелка запальника - работает постоянно.

Недостатком устройства является большое время реакции на погасание пламени. Устройство обеспечивает снижение инерционности на период розжига запальника за счет ускоренного разогрева чувствительного элемента с помощью двух горелок, однако, время реакции устройства на погасание пламени остается большим. А именно время реакции на пропадание пламени (реакция устройства на аварийную ситуацию) является наиболее важным параметром устройства контроля пламени, т.к. он влияет на безопасность работы газового водонагревателя.

Наиболее близким к заявляемому устройству является "Устройство контроля жидкотопливной горелки" (патент США 2201328, кл. 200-122, заявленное от 24.04.1937). Устройство предназначено для управления и контроля работы жидкотопливной горелки. В его состав входит устройство контроля наличия пламени в камере отопительного агрегата. Указанное устройство контроля пламени содержит множество U-изогнутых биметаллических элементов, установленных внутри камеры сгорания, направляющую (стержень), соединяющую биметаллические элементы с узлом передачи механического воздействия к контактному узлу. Узел передачи механического воздействия выполнен в виде треугольной пластины, одна сторона которой установлена на оси вращения, а другая имеет возможность перемещения в области контактного узла. При этом контактный узел содержит регулируемый упор, ограничивающий это перемещение. Устройство обеспечивает возможность уменьшения времени реакции на повышение или понижение температуры, соответственно - появление или исчезновение пламени. Достигается это за счет ограничения области перемещения узла передачи механического воздействия к контактному узлу и возможности проскальзывания направляющей (стержня) через узел механической связи после того, как последний занимает одно из крайних положений на контактном узле.

Недостатками устройства являются:
1. Отсутствие возможности регулировки степени механической связи (усилия проскальзывания) между направляющей и узлом передачи механического воздействия к контактному узлу. Это не позволяет добиваться минимальных значений времени реакции устройства на появление или исчезновение пламени.

2. Нестабильная работа устройства, обусловленная тем, что возможно формирование ложных сигналов о состоянии устройства контроля пламени. Появление ложного сигнала в устройстве возможно в результате механического воздействия на направляющую и узел передачи механического воздействия к контактному узлу, при котором изменяется их взаимное расположение.

Задачей заявляемого устройства является:
- уменьшение времени реакции устройства как при розжиге, так и при погасании пламени горелки,
- обеспечение устойчивой работы устройства в условиях внешних механических воздействий.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемое устройство для контроля наличия пламени, содержащее биметаллическую пластину, механически связанную с направляющей, узел передачи механического воздействия от биметаллической пластины через направляющую на контактное устройство и регулируемый упор для ограничения перемещения узла в области размещения контактного устройства, введен второй регулируемый упор, установленный на направляющей, а узел передачи механического воздействия выполнен с возможностью регулировки степени механической связи биметаллической пластины с контактным устройством.

При этом:
Уменьшение времени реакции устройства как при розжиге, так и исчезновении пламени горелки достигается за счет регулирования степени механической связи биметаллической пластины с контактным устройством.

Обеспечение устойчивой работы устройства в условиях внешних механических воздействий достигается за счет установки на направляющей второго регулируемого упора.

Известно, чем большее приращение температуры воздействует на биметаллический элемент, тем больше величина его деформации. На большее расстояние переместится и направляющая, связанная с биметаллическим элементом. Однако, если при этом направляющей необходимо преодолеть усилие трения, то деформация биметалла и перемещение направляющей будут наблюдаться лишь в том случае, если усилие деформации, создаваемое биметаллическим элементом, будет больше силы трения, приложенной к направляющей. Это утверждение справедливо при любом знаке приращения температуры, действующей на биметаллический элемент. Для достижения максимальной чувствительности устройства контроля пламени необходимо добиваться уменьшения усилия трения, приложенного к направляющей при перемещении ее через узел передачи механического воздействия. Однако, усилие трения не может быть меньше некоторой величины, которая необходима для надежного перемещения узла передачи механического воздействия в области контактного устройства. Наименьшее время реакции устройства на появление и исчезновение пламени будет в случае, когда сила трения минимальна и одновременно достаточна для изменения состояния контактного устройства. Добиться этого для каждого конкретного образца устройства контроля пламени можно лишь при наличии возможности регулирования усилия трения между направляющей и узлом передачи механического воздействия от биметаллического элемента к контактному устройству.

Для понимания причины неустойчивой работы известного устройства в условиях внешних механических воздействий и, соответственно, необходимости установки на направляющей второго регулируемою упора рассмотрим подробнее работу известного устройства в части выполнения им функции контроля наличия пламени (патент 2201328, фиг.1).

В исходном состоянии, при отсутствии пламени, верхний конец узла передачи механического воздействия от направляющей к контактному устройству должен поддерживать замкнутыми выходные контакты (контакты 19 и 20) устройства контроля пламени. Однако, сохранить это исходное состояние в условиях механических воздействий на направляющую либо узел передачи механического воздействия к контактному устройству невозможно. Действительно, если кратковременно переместить направляющую в направлении от биметаллических элементов, а затем отпустить ее, то узел передачи механического воздействия после того, как это воздействие прекращено, изменит состояние выходных контактов устройства контроля пламени, т.е. разомкнет контакты 19 и 20. В результате при отсутствии пламени устройство будет сигнализировать о его наличии. Произойдет это вследствие того, что при перемещении направляющей в рассмотренном выше направлении происходит принудительная деформация биметаллического элемента. Треугольная пластина узла механической связи в области контактного устройства при этом перемещении остается неподвижной, поскольку перемещение ее ограничено контактом 19, к которому она (треугольная пластина) прижата контактом 20. После прекращения механического воздействия на направляющую она под действием упругих сил биметаллического элемента будет возвращаться в исходное состояние. При этом в ходе перемещения ее к исходному состоянию она переместит благодаря силам трения треугольную пластину от контакта 19 к первому регулируемому упору. В результате контакты 19 и 20 разомкнутся. Исходная настройка устройства контроля пламени будет нарушена.

Устранить указанный дефект можно с помощью второго регулируемого упора, установленного на направляющей таким образом, чтобы перемещения относительно друг друга направляющей и узла передачи механического воздействия, которые могут изменить исходное состояние устройства контроля пламени, были бы невозможны.

Применительно к конструкции прототипа (патент 2201328) это условие выполняется, если упор установить на направляющей между биметаллическим элементом и узлом передачи механического воздействия (с внутренней стороны треугольной пластины) вплотную к узлу передачи механического воздействия. В этом случае исключается возможность перемещения направляющей относительно узла передачи механического воздействия в сторону от биметаллического элемента и узла передачи механического воздействия относительно направляющей в сторону к биметаллическому элементу.

Принудительные кратковременные перемещения направляющей относительно узла передачи механического воздействия в противоположном направлении (в направлении к биметаллическому элементу) относятся к рабочим перемещениям и не нарушают исходной настройки устройства контроля пламени. Действительно, если перемещать направляющую в сторону к биметаллическому элементу, то узел передачи механического воздействия под действием сил трения изменит свое состояние, переместится к первому упору и, соответственно, будет ложно сигнализировать о наличии пламени. Однако, после того как внешнее воздействие будет снято, направляющая под действием упругих сил, возникших в биметаллическом элементе, переместится в исходное состояние. При этом она с помощью силы трения переместит в исходное состояние и узел передачи механического воздействия. В результате настройка устройства контроля пламени не будет нарушена.

Выполнение второго упора регулируемым обусловлено необходимостью точного выбора его положения относительно узла передачи механического воздействия. Действительно, если установить второй упор с зазором относительно узла передачи механического воздействия, то будет существовать опасность нарушения настройки исходного состояния устройства контроля пламени в результате механического воздействия, как это было показано выше. Если установить второй упор таким образом, что биметаллический элемент посредством направляющей будет деформирован, то это приведет к увеличению инерционности устройства контроля пламени. Увеличение инерционности здесь обусловлено тем, что указанная начальная деформация противоположна деформации, возникающей при нагреве биметаллического элемента. По этой причине перемещение направляющей и, соответственно, реакция устройства контроля пламени начнется лишь после того, как начальная деформация биметаллического элемента будет скомпенсирована его деформацией под действием нагрева. С учетом вышеизложенного второй упор должен устанавливаться вплотную к устройству передачи механической связи, но без усилия с его стороны на узел передачи механического воздействия. Добиться выполнения этого условия без регулировки положения второго упора невозможно.

Таким образом:
1. Использование в заявляемом устройстве возможности изменения механической связи между направляющей и узлом передачи механического воздействия, а в общем случае между биметаллической пластиной и контактным устройством, позволяет минимизировать время реакции устройства как при розжиге, так и погасании пламени горелки.

2. Использование в заявляемом устройстве второго регулируемого упора обеспечивает его стабильную работу при различных механических воздействиях.

На фиг. 1 и 2 приведены варианты конструктивного исполнения заявляемого устройства контроля наличия пламени при расположении биметаллической пластины над запальной горелкой, на фиг.3 - при расположении биметаллической пластины под запальной горелкой.

Устройство контроля наличия пламени содержит горелку 1, биметаллическую пластину 2, контактное устройство 3, направляющую 4, первый 5 и второй 6 регулируемые упоры, узел передачи механического воздействия 7.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, при отсутствии пламени горелки 1, свободный конец биметаллической пластины 2, связанный механически с направляющей 4 и узлом передачи механического воздействия 7, находится в положении А. При этом область перемещения направляющей 4 определяется областью перемещения свободного конца чувствительного элемента 2, а область перемещения узла передачи механического воздействия 7 ограничена с одной стороны первым упором 5, с другой - контактным устройством 3 и вторым упором 6. При зажигании поступающего в горелку 1 газа факел пламени, выходящий из огневых отверстий, обогревает биметаллическую пластину 2. Последняя начинает изгибаться, перемещает направляющую 4 с упором 6, а вместе с ней и узел передачи механического воздействия 7 в положение, где дальнейший ход последнего ограничен уже контактным устройством 3. Контактное устройство изменяет свое состояние (замыкает, либо размыкает, либо переключает электрическую цепь управления клапаном), обеспечивая тем самым подачу газа к горелке 1. По мере дальнейшего нагревания биметаллической платины 2 происходит дальнейшая ее деформация. Направляющая 4 продолжает движение до точки Б. В случае погасания пламени горелки 1 биметаллическая пластина 2 начинает остывать и изгибаться в обратном направлении. Направляющая 4, связанная механически со свободным концом биметаллической пластины 2, перемещает узел передачи механического воздействия 7 в обратном направлении. Последний освобождает от механического воздействия контактное устройство, которое, в свою очередь, формирует сигнал о погасании пламени и выключает клапан подачи газа к горелке. Узел передачи механического воздействия приходит в новое положение, где его дальнейшее движение ограничено уже первым упором 5. При полном остывании биметаллической пластины направляющая приходит в состояние, когда узел передачи механического воздействия поджимается с другой стороны вторым упором, исключая тем самым возможность формирования ложного сигнала на этапе следующего розжига запальной горелки.

Таким образом, установка минимального времени реакции на появление или исчезновение пламени достигается благодаря тому, что в заявляемом устройстве имеется возможность изменения степени механической связи между направляющей и узлом передачи механического воздействия, и соответственно, возможность установки усилия трения между ними на минимальном уровне, величина которого определяется усилием трения, необходимого для переключения контактного устройства.

Конструкции направляющей и узла передачи механического воздействия могут быть различными. Например, направляющая 3 на фиг.1 выполнена в виде круглого стержня. На фиг. 2 - в виде плоской пластины. Узел передачи механического воздействия на фиг. 1, 3 содержит втулку, уплотняющий элемент, гайку. Узел передачи механического воздействия на фиг.2 представляет собой конструкцию из двух пластин, на которых установлены уплотняющие элементы, например, в виде фторопластовых трубок. Степень механической связи между направляющей и узлом передачи механического воздействия на фиг.1, 3 регулируется с помощью гайки, на фиг.2 - с помощью винта, изменяющего расстояние между пластинами. Уплотняющий элемент на фиг.1, 2 выполнен из резины, на фиг. 2 - из фторопласта.

Заявляемое устройство контроля наличия пламени выполнено с применением следующих технологий и комплектующих деталей:
1. Направляющая 4, узел передачи механического воздействия 7, первый 5 и второй 6 упоры изготовлены из стали методом токарной (слесарной) обработки.

2. В качестве контактного устройства 3 использован микропереключатель МИ3В.

Заявляемое устройство обеспечивает:
1. Уменьшение времени реакции устройства на зажигание и погасание пламени горелки не менее чем в два раза по сравнению с аналогами и прототипом.

2. Стабильную работу при различных механических воздействиях.

Устройство контроля наличия пламени относится к энергетике, а именно к автоматизации процессов горения в водогрейных аппаратах. В устройство для контроля наличия пламени, содержащее биметаллическую пластину, механически связанную с направляющей, узел передачи механического воздействия от биметаллической пластины через направляющую на контактное устройство и регулируемый упор для ограничения перемещения этого узла в области размещения контактного устройства, введен второй регулируемый упор, установленный на направляющей, а узел передачи механического воздействия выполнен с возможностью регулировки степени механической связи биметаллической пластины с контактным устройством. Изобретение позволяет уменьшить время реакции устройства как при розжиге, так и при погасании пламени горелки, обеспечить устойчивую работу устройства в условиях внешних механических воздействий. 3 ил.

Устройство для контроля наличия пламени, содержащее биметаллическую пластину, механически связанную с направляющей, узел передачи механического воздействия от биметаллической пластины через направляющую на контактное устройство и регулируемый упор для ограничения перемещения узла в области размещения контактного устройства, отличающееся тем, что оно содержит второй регулируемый упор, установленный на направляющей, а узел передачи механического воздействия выполнен с возможностью регулировки степени механической связи биметаллической пластины с контактным устройством.