ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2013 года по МПК F24H3/02 

Настоящее изобретение касается отопительного устройства, в частности, для мобильного применения, а также способа управления таким отопительным устройством.

Отопительные устройства для мобильного применения (далее: мобильные отопительные устройства) применяются, в частности, в транспортных средствах в качестве автономных или дополнительных подогревателей. Автономные подогреватели (или, соответственно, автономные отопительные установки) могут эксплуатироваться как при остановленном, так и при работающем двигателе транспортного средства, в то время как дополнительные подогреватели могут эксплуатироваться только при работающем двигателе транспортного средства.

В отопительных устройствах такого рода обычно топливо с воздухом для горения приводится в реакцию с целью получения тепла, используемого для отопления. Для этого такие мобильные отопительные устройства содержат камеру сгорания, в которой осуществляется эта реакция, как правило, путем сжигания в пламени. Известна эксплуатация такого рода мобильных отопительных устройств с жидкими топливами, такими как, например, дизельное топливо, бензин или этанол, или с газообразными топливами.

Мобильные отопительные устройства делятся на жидкостные или, соответственно, водяные отопительные устройства, у которых выделяемое тепло в теплообменнике отопительного устройства передается жидкости, служащей теплоносителем (как правило, жидкости для охлаждения двигателя), и воздушные отопительные устройства, у которых выделяемое тепло в теплообменнике отопительного устройства передается воздуху, служащему теплоносителем. При этом воздушные отопительные устройства обычно выполнены таким образом, что выделяемое тепло в теплообменнике непосредственно передается воздуху, который подается в предназначенную для нагрева область, в частности, салон транспортного средства.

Для эксплуатации такого рода отопительных устройств в камеру сгорания должны подаваться как топливо, так и воздух для горения. Топливо может подаваться в камеру сгорания посредством устройства подачи топлива, например, дозировочного насоса, в точно заданных количествах. Воздух для горения может подаваться в камеру сгорания с помощью нагнетателя воздуха для горения, привод которого осуществляется посредством электродвигателя. Отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси (называемое также коэффициентом избытка воздуха или коэффициентом топливно-воздушной смеси) для осуществления реакции в камере сгорания определяется отношением подаваемого количества топлива к подаваемому количеству воздуха для горения. Отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси при такой конструкции, таким образом, определяется частотой вращения нагнетателя воздуха для горения и скоростью подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива.

Для эксплуатации отопительного устройства предназначенный для нагрева теплоноситель должен также нагнетаться через теплообменник. У воздушных отопительных устройств это может осуществляться с помощью нагнетателя теплоносителя.

Задачей настоящего изобретения является предложить усовершенствованное отопительное устройство и усовершенствованный способ эксплуатации этого отопительного устройства.

Эта задача решается с помощью отопительного устройства согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Отопительное устройство содержит камеру сгорания для осуществления реакции топлива с воздухом для горения с целью выделения тепла, теплообменник для передачи, по меньшей мере, части выделяемого тепла предназначенному для нагрева теплоносителю, устройство подачи топлива, служащее для подачи топлива в камеру сгорания, нагнетатель воздуха для горения, служащий для подачи воздуха для горения в камеру сгорания, нагнетатель теплоносителя, служащий для нагнетания теплоносителя, общий привод для нагнетателя воздуха для горения и нагнетателя теплоносителя, по меньшей мере один сенсор, служащий для контроля массового потока теплоносителя, и систему управления, которая управляет устройством подачи топлива и общим приводом. Система управления обеспечивает возможность, в зависимости от массового потока теплоносителя изменять отношение между количеством воздуха для горения и количеством подаваемого в камеру сгорания топлива. Под общим приводом для нагнетателя воздуха для горения и нагнетателя теплоносителя при этом понимается, что нагнетатель воздуха для горения и нагнетатель теплоносителя связаны с этим общим приводом таким образом, что частота вращения нагнетателя воздуха для горения имеет постоянное отношение к частоте вращения нагнетателя теплоносителя. При этом нагнетатель воздуха для горения и нагнетатель теплоносителя могут быть, например, связаны с общим приводом таким образом, чтобы они имели одну и ту же частоту вращения, например, быть соединены с общим приводом посредством одного общего вала. По меньшей мере один сенсор, служащий для контроля массового потока теплоносителя, может, например, являться расходомером, который непосредственно измеряет массовый поток, но он может также представлять собой сенсор, который только опосредствованно измеряет массовый поток теплоносителя. Например, по меньшей мере один сенсор, служащий для контроля массового потока теплоносителя, может представлять собой температурный датчик, который измеряет температуру теплоносителя на выходе из отопительного устройства. На основании измеренной температуры на выходе теплоносителя может быть определен массовый поток. В частности, с помощью температурного датчика такого рода может быть установлено, что массовый поток теплоносителя слишком мал, если измеренная температура превышает заданное предельное значение. Но контроль массового потока может, например, также осуществляться путем контроля разности температур между температурой всасывания теплоносителя и температурой выдувания теплоносителя. Так как система управления обеспечивает возможность, в зависимости от массового потока теплоносителя изменять отношение между количеством теплоносителя и количеством подаваемого в камеру сгорания топлива, то при заданной скорости подачи топлива (благодаря общему приводу) допускается изменение частоты вращения нагнетателя воздуха для горения и, тем самым, массового потока воздуха для горения (в соответствующем диапазоне). При этом не задается определенное отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси, и регулирование не осуществляется по этому отношению, а допускается изменение отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси (внутри заданных границ). Таким образом достигается, что при компактном и оптимальном по затратам общем приводе для нагнетателя воздуха для горения и нагнетателя теплоносителя при имеющейся скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива, массовый поток теплоносителя может изменяться. Благодаря такой конфигурации нагнетатель теплоносителя не должен, независимо от условий эксплуатации или, соответственно, от случая применения, обязательно эксплуатироваться с большой мощностью нагнетания нагнетателя теплоносителя. Таким образом, средняя потребляемая мощность может быть значительно снижена, а средний уровень шума, обусловленный гидродинамическими шумами теплоносителя, может быть сокращен. Изменение в зависимости от массового потока теплоносителя может при этом осуществляться, например, непосредственно - на основании измеренного массового потока (например, в случае, если сенсор непосредственно измеряет массовый поток), или опосредствованно - на основании сигнала измерения, который позволяет определять массовый поток теплоносителя, например, по измеренной температуре теплоносителя на выходе из отопительного устройства (температура выдувания) или по разности температур между температурой всасывания (вверх по потоку от теплообменника) теплоносителя и температурой выдувания теплоносителя. Под массовым потоком понимается масса теплоносителя в единицу времени. Предпочтительно система управления обеспечивает возможность, в зависимости от массового потока теплоносителя изменять отношение между количеством подаваемого в камеру сгорания топлива и количеством подаваемого в камеру сгорания воздуха для горения.

По одному из вариантов осуществления система управления обеспечивает возможность, при неизменной скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива, изменять частоту вращения общего привода в зависимости от массового потока теплоносителя. При изменении частоты вращения общего привода в зависимости от массового потока теплоносителя нагнетатель теплоносителя может эксплуатироваться с мощностью нагнетания, приведенной в соответствие с фактическими условиями конкретного рабочего состояния или, соответственно, конкретного случая применения.

По одному из вариантов осуществления система управления обеспечивает возможность, при слишком низком массовом потоке теплоносителя повышать частоту вращения общего привода. При этом варианте осуществления массовый поток теплоносителя может увеличиваться путем повышения частоты вращения. При этом не требуется изменение скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива. В частности, общий привод (и, тем самым, нагнетатель теплоносителя) в этом варианте осуществления может всегда эксплуатироваться с одной частотой вращения, которая соответствует нижней границе заданного (для соответствующей скорости подачи топлива) диапазона частоты вращения, и частота вращения повышается только тогда, когда контролируемый массовый поток теплоносителя слишком мал. При этом нагнетатель теплоносителя всегда эксплуатируется только с необходимой мощностью нагнетания, так что потребляемая мощность уменьшается, и уровень шума снижается. Вывод о том, является ли массовый поток слишком низким, может быть сделан, например, путем сравнения измеренного массового потока с заданным номинальным значением. В том случае, когда контроль массового потока осуществляется посредством сенсора температуры, вывод о слишком низком массовом потоке может быть, например, сделан тогда, когда измеренная температура превышает заданное номинальное значение.

По одному из вариантов осуществления система управления обеспечивает возможность, изменять частоту вращения общего привода внутри диапазона частоты вращения, характерного для скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива. В этом случае допускается некая область частоты вращения в зависимости от скорости подачи, т.е. верхняя граница и нижняя граница диапазона частоты вращения задаются в зависимости от скорости подачи. Другими словами, задается не кривая рабочей характеристики λ, а поле рабочих характеристик λ. При задании характерного диапазона частоты вращения достигается возможность изменения отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси только в некотором ограниченном диапазоне, так что обеспечивается постоянное нахождение отопительного устройства в надежном диапазоне в отношении процесса сгорания и норм выброса.

По одному из вариантов осуществления система управления обеспечивает возможность, эксплуатировать общий привод с частотой вращения, которая соответствует нижней границе диапазона частоты вращения, и повышать частоту вращения только при слишком низком массовом потоке. В этом случае гарантируется, что нагнетатель теплоносителя всегда будет эксплуатироваться с умеренной мощностью нагнетания, которая не превышает необходимую величину.

По одному из вариантов осуществления система управления обеспечивает возможность уменьшать скорость подачи, обеспечиваемую устройством подачи топлива, при слишком низком массовом потоке теплоносителя и частоте вращения общего привода, соответствующей верхней границе диапазона частоты вращения. В этом случае возможно, в частности, надежное предотвращение наступления перегрева отопительного устройства или подчиненных компонентов вследствие слишком низкого массового потока. В частности, если сначала всегда устанавливается минимально возможная частота вращения, и эта частота вращения последовательно повышается до верхней границы, пока массовый поток теплоносителя является слишком низким, и уменьшается только при достижении верхней границы скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива, то даже при неблагоприятных условиях можно надежно отдавать тепловую мощность в предназначенную для нагрева область, без необходимости преждевременного снижения тепловой мощности в отопительном устройстве.

По одному из вариантов осуществления по меньшей мере один сенсор, служащий для контроля массового потока теплоносителя, представляет собой сенсор температуры, предназначенный для регистрации температуры нагретого теплоносителя. Такой сенсор температуры может быть выполнен с оптимальными затратами. Слишком низкий массовый поток теплоносителя может надежно обнаруживаться путем сравнения измеренной температуры теплоносителя с некоторой заданной температурой.

По одному из вариантов осуществления сенсор температуры, предназначенный для регистрации температуры нагретого теплоносителя, предусмотрен вверх по потоку от теплообменника. В этом случае массовый поток теплоносителя может надежно определяться по разности температур между температурой всасывания теплоносителя и температурой выдувания теплоносителя и скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива.

По одному из вариантов осуществления отопительное устройство выполнено в виде воздушного отопительного устройства, у которого выделяемое тепло передается в теплообменнике воздуху, служащему предназначенным для нагрева теплоносителем.

Задача решается также с помощью способа эксплуатации отопительного устройства по п. 10 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения.

Способ обеспечивает возможность эксплуатации отопительного устройства, которое содержит: камеру сгорания, служащую для осуществления реакции топлива с воздухом для горения с целью выделения тепла, устройство подачи топлива, служащее для подачи топлива в камеру сгорания, и нагнетатель воздуха для горения, служащий для подачи воздуха для горения в камеру сгорания, нагнетатель теплоносителя, служащий для нагнетания теплоносителя, предназначенного для нагрева. При этом нагнетатель воздуха для горения и нагнетатель теплоносителя приводятся в действие одним общим приводом. Этот способ предусматривает следующие шаги:

- контроль массового потока теплоносителя и

- изменение отношения между количеством теплоносителя и количеством подаваемого в камеру сгорания топлива в зависимости от массового потока теплоносителя. С помощью этого способа достигаются преимущества, описанные выше в отношении отопительного устройства. В частности, достигаются уменьшение средней потребляемой мощности нагнетателя теплоносителя и сокращение уровня шума.

По одному из вариантов осуществления этот способ предусматривает следующий шаг: - изменение частоты вращения общего привода при неизменной скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива, в зависимости от массового потока теплоносителя. В этом случае отопительное устройство может эксплуатироваться с мощностью нагнетателя теплоносителя, приведенной в соответствие с конкретными условиями эксплуатации.

По одному из вариантов осуществления этот способ предусматривает следующий шаг: - повышение частоты вращения общего привода в случае наличия слишком низкого массового потока теплоносителя. Таким образом гарантируется, что нагнетатель теплоносителя всегда эксплуатируется только с такой низкой частотой вращения, которая необходима для поддержания достаточного массового потока. Если массовый поток становится слишком низким, происходит надежное противодействие этому.

По одному из вариантов осуществления контроль массового потока теплоносителя осуществляется путем сравнения температуры нагретого носителя с некоторым заданным значением. В этом случае контроль массового потока теплоносителя реализуется особенно оптимальным по затратам способом.

По одному из вариантов осуществления вывод о слишком низком массовом потоке теплоносителя делается тогда, когда температура нагретого теплоносителя превышает заданное значение. В этом случае контроль массового потока теплоносителя осуществляется очень простым и эффективным способом.

Если контроль массового потока теплоносителя осуществляется путем контроля температуры теплоносителя до нагрева и температуры нагретого теплоносителя, возможен надежный контроль массового потока. Причем этот контроль может осуществляться с помощью сенсоров, которые могут также использоваться для других функций отопительного устройства.

Другие преимущества и усовершенствованные варианты осуществления содержатся в последующем описании примеров осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение отопительного устройства по одному из вариантов осуществления.

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение диапазона рабочих характеристик по этому варианту осуществления.

Фиг.3 представляет собой схематичную блок-схему, служащую для пояснения управления по этому варианту осуществления.

Один из вариантов осуществления описан ниже со ссылкой на фиг.1-3. Схематично изображенное на фиг.1 отопительное устройство 1 выполнено в виде воздушного отопительного устройства, т.е. предназначенный для нагрева теплоноситель в этом варианте осуществления представляет собой воздух. Отопительное устройство 1 по этому примеру осуществления выполнено в виде мобильного отопительного устройства, в частности, в виде отопительного устройства автомобиля. Отопительное устройство 1 может, например, представлять собой автономное отопительное устройство или дополнительное отопительное устройство.

Отопительное устройство 1 содержит камеру 10 сгорания, в которой в которой осуществляется реакция топлива с воздухом для горения с выделением тепла. Топливо в этом варианте осуществления может, например, представлять собой горючее, которое также применяется для приводного двигателя автомобиля, в частности, бензин или дизельное топливо. Но возможны и другие виды топлива. Топливо подается в камеру 10 сгорания посредством устройства 11 подачи топлива, как схематично изображено стрелкой 12. Устройство 11 подачи топлива может, например, известным образом представлять собой дозировочной насос. Но возможны и другие устройства подачи топлива. Воздух для горения подается в камеру 10 сгорания посредством (схематично изображенного на фиг.1) нагнетателя 13 воздуха для горения, как схематично изображено стрелками 14.

Образующиеся в камере 10 сгорания горячие газообразные продукты сгорания направляются через теплообменник 15, как схематично изображено стрелками 16. В теплообменнике 15, по меньшей мере, наибольшая часть выделяющегося тепла газообразных продуктов сгорания передается теплоносителю, который также направляется по пути течения через теплообменник 15, как схематично изображено стрелками 17. Охлажденные газообразные продукты сгорания отводятся через выпуск для продуктов сгорания, как схематично изображено стрелкой 18. Нагретый теплоноситель посредством соответствующей системы трубопроводов подается в предназначенную для нагрева область, которая, например, может представлять собой салон транспортного средства, как схематично изображено стрелкой 19 на фиг.1.

Массовый поток теплоносителя по пути течения через теплообменник 15 и предназначенную для нагрева область создается нагнетателем 20 теплоносителя. Нагнетатель 20 теплоносителя и нагнетатель 13 воздуха для горения приводятся в действие одним общим приводом 21. Общий привод 21 может, например, представлять собой электродвигатель. В изображенном варианте осуществления нагнетатель 20 теплоносителя и нагнетатель 13 воздуха для горения связаны с общим приводом таким образом, что частота вращения нагнетателя 20 теплоносителя имеет постоянное отношение к частоте вращения нагнетателя 13 воздуха для горения. Нагнетатель 13 воздуха для горения и нагнетатель 20 теплоносителя могут быть связаны с общим приводом 21 таким образом, чтобы они оба имели одну и ту же частоту вращения, впрочем, возможны и различные частоты вращения. Эта связь может быть реализована, например, посредством одного общего приводного вала.

На пути течения теплоносителя установлен сенсор 22, служащий для контроля массового потока теплоносителя. Сенсор 2 может, например, представлять собой сенсор, который измеряет массовый поток теплоносителя. Такой сенсор, который непосредственно измеряет массовый поток теплоносителя, может быть установлен не только, как изображено на фиг.1, на пути течения теплоносителя после выхода из теплообменника, но и в других местах на пути течения, в частности, например, также на пути течения теплоносителя перед входом в теплообменник. В изображенном варианте осуществления сенсор 22, однако, представляет собой сенсор температуры, который установлен на пути течения нагретого теплоносителя ниже по потоку от теплообменника 15. Сенсор температуры измеряет температуру нагретого теплоносителя. Таким образом массовый поток теплоносителя контролируется опосредствованно, как будет описано ниже более подробно.

Сенсор 22, общий привод 21 и устройство 11 подачи топлива соединены соответствующими соединительными трубопроводами с системой 23 управления, которая служит для того, чтобы управлять эксплуатацией отопительного устройства. Система 23 управления и устройство 11 подачи топлива выполнены таким образом, что устройство 11 подачи топлива может эксплуатироваться с разными скоростями подачи, т.е. в камеру сгорания могут нагнетаться разные количества топлива в единицу времени. В случае, когда устройство 11 подачи топлива представляет собой дозировочный насос, это может быть реализовано, например, путем управления с разными тактовыми частотами.

Подача воздуха для горения и нагнетатель 13 воздуха для горения выполнены таким образом, что количество подаваемого в единицу времени в камеру 10 сгорания воздуха для горения задано частотой вращения нагнетателя 13 воздуха для горения. Поэтому отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси процесса реакции в камере 10 сгорания определяется частотой вращения нагнетателя 13 воздуха для горения и скоростью подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива. Чтобы при заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива, получить определенное отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси, нагнетатель 13 воздуха для горения должен иметь заданную частоту вращения. Следует учитывать, что эта взаимосвязь справедлива только для заданной плотности подаваемого воздуха для горения, и отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси с уменьшением плотности воздуха сдвинулось бы в сторону меньших значений (т.е. к более обогащенной топливно-воздушной смеси). Известным образом уменьшение плотности воздуха происходит, в частности, в зависимости от абсолютной высоты над уровнем моря.

Так как нагнетатель 20 теплоносителя и нагнетатель 13 воздуха для горения связаны с общим приводом 21, изменение частоты вращения общего привода 21 всегда приводит как к изменению массового потока теплоносителя, так и к изменению массового потока воздуха для горения. При заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива (и при постоянной плотности воздуха для горения) изменение частоты вращения общего привода приводит, таким образом, к изменению отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси. Если при заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива, необходимо достичь определенного заданного отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси, это непосредственно определяет требуемую частоту вращения нагнетателя 13 воздуха для горения (и тем самым всего общего привода 21). Так как привод нагнетателя 20 теплоносителя также осуществляется посредством общего привода 21, тем самым также определяется и массовый поток теплоносителя.

На фиг.2 показано схематичное изображение, на котором по горизонтальной оси (оси x) отложена скорость подачи, обеспечиваемая устройством 11 подачи топлива, а по вертикальной оси (оси y) частота вращения общего привода. У известных отопительных устройств установка частоты вращения привода нагнетателя воздуха для горения осуществляется в зависимости от скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива, таким образом, что в расчете на наиболее оптимальный возможный процесс сгорания устанавливается определенное номинальное значение отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси. Для этого случая получается изображенная на фиг.2 штриховой линией линия KL. При осуществляемой таким образом установке для каждой (допустимой) скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива, получается соответствующая заданная частота вращения общего привода 21 и, тем самым, также заданная частота вращения нагнетателя 20 теплоносителя.

В настоящем варианте осуществления система 23 управления, напротив, выполнена таким образом, что устанавливается не заданная линия характеристики λ, а реализуется изображенное на фиг.2 пунктиром поле KF рабочих характеристик λ. Другими словами, в этом варианте осуществления допускается, что при заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива, общий привод 21 (и, тем самым, нагнетатель 13 воздуха для горения) может эксплуатироваться с частотами вращения в диапазоне частоты вращения, который соответствует соответствующей протяженности поля KF рабочих характеристик в вертикальном направлении. То есть допускается установление разных значений λ в заданных границах. Благодаря различным допустимым частотам вращения общего привода 21 при заданной скорости подачи, как схематично изображено стрелкой P на фиг.2, при этом также обеспечивается возможность изменения частоты вращения нагнетателя 20 теплоносителя в заданном диапазоне. При заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива (которая в определенной степени определяет внутреннюю тепловую мощность в отопительном устройстве), таким образом, обеспечивается возможность увеличения или уменьшения результирующего массового потока теплоносителя в заданном диапазоне. Скорость подачи, обеспечиваемая устройством 11 подачи топлива, может, например, задаваться конечной температурой предназначенной для нагрева области, указанной пользователем номинальной тепловой мощностью, разностью между конечной температурой в предназначенном для нагрева пространстве и имеющейся фактической температурой, или тому подобным.

Следует учитывать, что описанное ниже управление касается эксплуатации отопительного устройства 1 в состоянии непрерывной работы или, соответственно, в нормальном режиме, а не процесса пуска отопительного устройства непосредственно после соответствующей подготовки к эксплуатации.

Управление описывается ниже со ссылкой на фиг.2 и 3. По этому варианту осуществления система 23 управления управляет общим приводом 21 таким образом, что он всегда сначала эксплуатируется с наиболее низкой частотой вращения, допустимой для заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива. Эта наиболее низкая допустимая частота вращения задается соответствующей нижней границей UG поля KF рабочих характеристик. В шаге S1 система 23 управления регистрирует сигнал сенсора 22. В шаге S2 система 23 управления проверяет сигнал сенсора 22 в отношении того, достигается ли достаточный массовый поток теплоносителя. В случае, когда сенсор 22 непосредственно измеряет массовый поток теплоносителя, система 23 управления сравнивает определенный массовый поток с номинальным значением. В случае, реализованном в изображенном варианте осуществления, в котором сенсор 22 представляет собой температурный датчик, температура выходящего из отопительного устройства 1 нагретого теплоносителя сравнивается с некоторым заданным значением, которое заложено в системе 23 управления. Если измеренная температура превышает это заданное значение, система 23 управления делает вывод о том, что имеющийся массовый поток теплоносителя не достаточен для того, чтобы отводить выделяемое в отопительном устройстве 1 тепло в предназначенное для нагрева пространство. Вместо двух этих описанных возможностей контроля массового потока теплоносителя или дополнительно к ним этот контроль может также осуществляться посредством одного или нескольких сенсоров, которые позволяют определять массовый поток теплоносителя.

Если система 23 управления в шаге S2 приходит к выводу, что массовый поток теплоносителя является достаточным («да»), в шаге S3 проверяется, соответствует ли уже частота вращения общего привода нижней границе UG (см. фиг.2). В случае, если частота вращения уже соответствует нижней границе UG, система 23 управления возвращается к шагу S1. В случае, если частота вращения выше нижней границы UG, система управления в шаге S3 снижает частоту вращения (например, на заданную величину) и затем возвращается к шагу S1.

Если система 23 управления в шаге S2 приходит к выводу, что массовый поток теплоносителя является слишком низким («нет»), то есть выделяемое при нагреве тепло не подается в достаточной мере в предназначенную для нагрева область, в шаге S4 проверяется, действительно ли частота вращения общего привода 21 меньше верхней границы OG поля KF рабочих характеристик для имеющейся скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива. В случае, если вращения общего привода 21 меньше верхней границы OG («да»), частота вращения в шаге S5 повышается (например, на заданную величину), и система 23 управления затем возвращается к шагу S1.

Если система 23 управления в шаге S4 устанавливает, что частота вращения уже соответствует верхней границе OG («нет»), в шаге S6 скорость подачи, обеспечиваемая устройством 11 подачи топлива, снижается, и система 23 управления затем возвращается к шагу S1.

Посредством описанного управления отопительным устройством 1 достигается, что общий привод 21 при всех скоростях подачи, обеспечиваемых устройством 11 подачи топлива, всегда эксплуатирует нагнетатель 20 теплоносителя только с мощностью нагнетания, которая необходима для обеспечения достаточного массового потока теплоносителя. Это означает, что нагнетатель 20 теплоносителя всегда эксплуатируется с наиболее низкой возможной мощностью нагнетания. Таким образом, усредненная для всех возможных случаев применения и рабочих условий средняя электрическая потребляемая мощность отопительного устройства 1 значительно уменьшается, и обусловленный течением теплоносителя уровень шума сокращается до минимальной величины.

Допустимое поле KF рабочих характеристик заложено в системе управления. Это поле рабочих характеристик выбрано таким образом, чтобы отопительное устройство во всех состояниях, допускаемых полем KF рабочих характеристик, обладало допустимыми свойствами в отношении процесса сгорания и норм выброса (сажа, CO, и пр.). При определении поля KF рабочих характеристик следует учитывать все возможные другие воздействия на колебание отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси.

Так как при описанном управлении отопительным устройством 1 допускаются частоты вращения общего привода до верхней границы OG, по сравнению с отопительным устройством, которое регулируется по заданной линии характеристики λ, в затрудненных условиях (например, высокие гидравлические сопротивления на пути течения теплоносителя) возможна улучшенная передача тепловой мощности, получаемой в отопительном устройстве 1, в предназначенную для нагрева область.

Путем описанного управления отопительным устройством 1 достигается также компенсация изменения плотности воздуха системой 23 управления даже без дополнительного сенсора плотности воздуха или сенсора высоты. С уменьшающейся плотностью воздуха для горения при заданной скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива, и заданной частоте вращения общего привода 21 уменьшается отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси. Но одновременно из-за также уменьшающейся плотности теплоносителя снижается массовый поток теплоносителя, так что и выделяемое тепло больше не передается в достаточной степени в предназначенную для нагрева область. В результате благодаря описанному выше управлению частота вращения общего привода 21 повышается, так что благодаря повышению частоты вращения нагнетателя воздуха для горения значение λ также снова повышается.

Таким образом, предлагается компактное и оптимальное по затратам отопительное устройство, которое обеспечивает меньшую потребляемую мощность и более низкий уровень шума, и при этом автоматически компенсирует изменения плотности воздуха для горения.

В одной из модификаций описанного примера осуществления контроль массового потока теплоносителя осуществляется посредством двух сенсоров температуры, как описывается ниже. Так как эта модификация в остальном полностью совпадает с описанным вариантом осуществления, далее описываются только различия при контроле массового потока теплоносителя. В соответствии с этой модификацией сенсор 22 выполнен в виде сенсора температуры, который, в свою очередь, измеряет температуру нагретого теплоносителя у выхода или, соответственно, после выхода из теплообменника 15 (температура выдувания). Однако дополнительно предусмотрен температурный датчик 24, который измеряет температуру теплоносителя перед входом или, соответственно, у входа в теплообменник 15 (температура всасывания), как изображено штриховой линией на фиг.1. Дополнительный температурный датчик 24 соединен также с системой 23 управления, так что она может считывать измеренное значение температуры. Система 23 управления определяет разность ∆T температур между температурой, измеренной сенсором 22 (температура выдувания), и температурой, измеренной температурным датчиком 24 (температура всасывания). Кроме того, системе 23 управления предоставляется в распоряжение информация о скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива. По скорости подачи, обеспечиваемой устройством 11 подачи топлива, при известном коэффициенте полезного действия процесса реакции в камере 10 сгорания определяется выделяющееся в единицу времени количество тепла. При известной удельной теплоемкости c теплоносителя по этим величинам может быть теперь определен массовый поток из уравнения

Вывод о том, является ли определенный массовый поток достаточным или слишком низким, делается в этой модификации снова путем сравнения определенного значения с некоторым заложенным в системе управления заданным значением. Если массовый поток ниже этого заданного значения, он является слишком низким. Управление отопительным устройством посредством системы 23 управления осуществляется в этой модификации снова, как описано в связи с этим вариантом осуществления.

Описанное отопительное устройство и описанный способ эксплуатации отопительного устройства обладают несколькими преимуществами по сравнению со случаем, когда управление отопительным устройством осуществляется таким образом, что частота вращения нагнетателя воздуха для горения в зависимости от конкретной скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива, устанавливается так, что получается заданное постоянное отношение λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси. При связи нагнетателя воздуха для горения и нагнетателя теплоносителя посредством общего привода при установке заданной характеристики λ при разработке отопительного устройства выбор размеров нагнетателя теплоносителя должен был бы осуществляться таким образом, чтобы для всех возможных случаев применения и рабочих состояний достигался достаточный массовый поток теплоносителя, так как соответствующая частота вращения нагнетателя теплоносителя задавалась бы на основании скорости подачи, обеспечиваемой устройством подачи топлива. Нагнетатель теплоносителя должен был бы при этом рассчитываться таким образом, чтобы при всех условиях получаемая тепловая мощность передавалась в предназначенную для нагрева область, т.е. достигался достаточный массовый поток теплоносителя. Достигаемый при эксплуатации массовый поток теплоносителя зависит, в частности, от гидравлических сопротивлений пути течения теплоносителя, которые в разных случаях применения (например, в разных транспортных средствах) значительно отличаются друг от друга. Кроме того, достигаемый массовый поток теплоносителя подвергается также значительным колебаниям, обусловленным эксплуатацией, допусками и применением.

Чтобы при всех возможных условиях обеспечить достаточный массовый поток теплоносителя, нагнетатель теплоносителя при установке постоянной характеристики λ должен был бы рассчитываться так, чтобы получалась большая мощность нагнетания, необходимая для достижения достаточного массового потока теплоносителя даже при неблагоприятных условиях. Впрочем, при этом расчете отопительное устройство во многих рабочих состояниях или, соответственно, случаях применения эксплуатировалось бы с мощностью нагнетания нагнетателя теплоносителя, значительно превышающей необходимую. Это приводило бы как к нежелательно высокой потребляемой мощности, так и к нежелательно высокому уровню шума, обусловленному гидравлическими шумами теплоносителя. Эти недостатки не возникают при описанном решении, при котором допускаются различные отношения между количеством подаваемого в камеру сгорания топлива и количеством подаваемого в камеру сгорания воздуха для горения (т.е. различные отношения λ массы воздуха к массе топлива в горючей смеси).

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в отопительных устройствах, в частности, для мобильного применения. Отопительное устройство, содержащее камеру сгорания для осуществления реакции топлива с воздухом для горения с целью выделения тепла, теплообменник, служащий для передачи, по меньшей мере, части выделяемого тепла предназначенному для нагрева теплоносителю, устройство подачи топлива в камеру сгорания, нагнетатель воздуха для его подачи в камеру сгорания, нагнетатель теплоносителя для его подачи к теплообменнику, общий привод для нагнетателя воздуха для горения и нагнетателя теплоносителя, по меньшей мере, один сенсор для контроля массового потока теплоносителя, и систему управления, которая управляет устройством подачи топлива и общим приводом. Технический результат - обеспечение возможности изменять отношение между количеством теплоносителя и количеством подаваемого в камеру сгорания топлива в зависимости от массового потока теплоносителя. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Отопительное устройство, в частности, для мобильного применения, содержащее:
камеру (10) сгорания для осуществления реакции топлива с воздухом для горения с выделением тепла,
теплообменник (15) для передачи, по меньшей мере, части выделяемого тепла на предназначенный для нагрева теплоноситель,
устройство (11) подачи топлива, служащее для подачи топлива в камеру (10) сгорания,
нагнетатель (13) воздуха для горения, служащий для подачи воздуха для горения в камеру (10) сгорания,
нагнетатель (20) теплоносителя, служащий для нагнетания теплоносителя, общий привод (21) для нагнетателя (13) воздуха для горения и нагнетателя (20) теплоносителя,
по меньшей мере один сенсор (22), служащий для контроля массового потока теплоносителя, и
систему (23) управления устройством (11) подачи топлива и общим приводом (21),
отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью изменения соотношения между количеством теплоносителя и количеством подаваемого в камеру сгорания топлива в зависимости от массового потока теплоносителя.

2. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что система управления выполнена с возможностью изменения частоты вращения общего привода (21) в зависимости от массового потока теплоносителя при неизменной скорости подачи, обеспечиваемой устройством (11) подачи топлива.

3. Отопительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью повышения частоты вращения общего привода (21) при слишком низком массовом потоке теплоносителя.

4. Отопительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью изменения частоты вращения общего привода (21) внутри диапазона (KF) частоты вращения, заданного для скорости подачи, обеспечиваемой устройством (11) подачи топлива.

5. Отопительное устройство по п.3, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью изменения частоты вращения общего привода (21) внутри диапазона (KF) частоты вращения, заданного для скорости подачи, обеспечиваемой устройством (11) подачи топлива.

6. Отопительное устройство по п.4, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью обеспечения эксплуатации общего привода (21) с частотой вращения, которая соответствует нижней границе (UG) диапазона (KF) частоты вращения, и повышения частоты вращения только при слишком низком массовом потоке теплоносителя.

7. Отопительное устройство по п.5, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью обеспечения эксплуатации общего привода (21) с частотой вращения, которая соответствует нижней границе (UG) диапазона (KF) частоты вращения, и повышения частоты вращения только при слишком низком массовом потоке теплоносителя.

8. Отопительное устройство по п.4, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью уменьшения скорости подачи, обеспечиваемой устройством (11) подачи топлива, при слишком низком массовом потоке теплоносителя и частоте вращения общего привода (21), соответствующей верхней границе (OG) диапазона (KF) частоты вращения.

9. Отопительное устройство по одному из пп.5-7, отличающееся тем, что система (23) управления выполнена с возможностью уменьшения скорости подачи, обеспечиваемой устройством (11) подачи топлива, при слишком низком массовом потоке теплоносителя и частоте вращения общего привода (21), соответствующей верхней границе (OG) диапазона (KF) частоты вращения.

10. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один сенсор (22), служащий для контроля массового потока теплоносителя, представляет собой температурный датчик для регистрации температуры нагретого теплоносителя.

11. Отопительное устройство по п.10, отличающееся тем, что температурный датчик (24) предназначен для регистрации температуры нагретого теплоносителя выше по потоку от теплообменника (15).

12. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что отопительное устройство (1) выполнено в виде воздушного отопительного устройства, у которого выделяемое тепло передается в теплообменнике (15) воздуху, являющемуся предназначенным для нагрева теплоносителем.

13. Способ эксплуатации отопительного устройства, в частности отопительного устройства для мобильного применения, причем это отопительное устройство (1) содержит:
камеру сгорания (10) для осуществления реакции топлива с воздухом для горения с выделением тепла,
устройство (11) подачи топлива, служащее для подачи топлива в камеру (10) сгорания,
нагнетатель (13) воздуха для горения, служащий для подачи воздуха для горения в камеру (10) сгорания,
нагнетатель (20) теплоносителя, служащий для нагнетания теплоносителя, предназначенного для нагрева,
причем нагнетатель (13) воздуха для горения и нагнетатель (20) теплоносителя приводятся в действие одним общим приводом (21),
причем этот способ предусматривает следующие шаги:
контроль массового потока теплоносителя;
изменение соотношения между количеством теплоносителя и количеством подаваемого в камеру сгорания топлива в зависимости от массового потока теплоносителя.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно предусматривают
изменение частоты вращения общего привода (21) в зависимости от массового потока теплоносителя при неизменной скорости подачи, обеспечиваемой устройством (11) подачи топлива.

15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что дополнительно предусматривают
повышение частоты вращения общего привода (21) в случае слишком низкого массового потока теплоносителя.

16. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что контроль массового потока теплоносителя осуществляется путем сравнения температуры нагретого теплоносителя с заданным значением.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что контроль массового потока теплоносителя осуществляется путем сравнения температуры нагретого теплоносителя с заданным значением.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что вывод о слишком низком массовом потоке теплоносителя делается тогда, когда температура нагретого теплоносителя превышает это заданное значение.

19. Способ по одному из пп.13, 14 и 17, отличающийся тем, что контроль массового потока теплоносителя осуществляется путем контроля температуры теплоносителя до нагрева и температуры нагретого теплоносителя.

20. Способ по п.16, отличающийся тем, что контроль массового потока теплоносителя осуществляется путем контроля температуры теплоносителя до нагрева и температуры нагретого теплоносителя.