Автоматика газофицированного отопительного агрегата Советский патент 1992 года по МПК F23N5/00 

Изобретение относится к автоматизации теплоэнергетических процессов и может быть использовано как автоматика безопасности и регулирования малометражных газифицированных отопительных котлов, водонагревателей и т.п.

Известна автоматика серийного изготовления типа АГК-2, содержащая пневмо- газовый блок защиты и регулирования (главный клапан), датчики контроля пламени, тяги, температуры воды.

Для включения автоматики вначале производится розжиг запальника, затем пусковой кнопкой включается блок защиты и регулирования, через который газ-топливо поступает к горелке агрегата.

Недостаток этой системы состоит в том, что автоматическое регулирование отопительного агрегата осуществляется без учета температуры воздуха в отапливаемых помещениях, что зачастую приводит к перерасходу топлива.

Наиболее близкой к предлагаемой является автоматика для малометражных коммунально-бытовых агрегатов типа РГУ-2, состоящая из пневмогазового блока защиты и регулирования, датчиков пламени, тяги, температуры воды.

Розжиг запальника производится последовательно, а при наличии устойчивого факела на нем возникает возможность включения блока и подачи газа на горелку. При нарушении параметра защиты агрегата срабатывает соответствующий датчик, сбрасывая импульсный газ, что приводит к отсечке подачи топлива. Регулирование температуры воды позиционное, в соответствии с постоянным заданным уровнем.

Однако автоматическое регулирование отопительного агрегата осуществляется без учета температуры воздуха в отапливаемом помещении, что зачастую приводит к перегреву помещений (под действием внутренних тепловыделений, солнечной радиации и др.), т.е. перерасходу топлива.

Целью изобретения является повышение точности регулирования малометражных отопительных агрегатов.

Указанная цель достигается тем, что автоматика содержит пневмо-газовый блок защиты и регулирования с клапаном, имеющим мембранный привод, и связанные с ним датчики пламени, тяги и температуры воды.

Автоматика дополнительно содержит два датчика температуры воздуха и программное реле времени, пневмогазовый блок защиты и регулирования снабжен дополнительным клапаном с мембранным приводом и каналами, байпасирующими

его, электромагнит с якорем и сопло с шаровой заслонкой, расположенной над якорем электромагнита, при этом выходы дополнительного клапана и каналов, байпасирующих его, подключены и к горелке агрегата, надмембранная полость привода клапана пневмогазового блока подключена к сбросной линии через датчик температуры воды, надмембранная полость дополнительного

0 клапана подключена к сбросной линии через сопло с шаровой заслонкой, в цепь питания электромагнита подключены два параллельно включенных выходных контакта соответственно двух датчиков температу5 ры воздуха и, кроме того, последовательно с одним из этих контактов включены контакты программного реле времени.

Эффективность регулирования предлагаемой системы автоматики позволяет эко0 номить топливо и улучшить комфортность в отапливаемых помещениях.

На фиг.1 показана структурная схема автоматики; на фиг.2 - конструкция блока защиты и регулирования.

5 Автоматика газифицированного отопительного агрегата (фиг.1) состоит из блока 1 защиты и регулирования, к которому подключены датчики пламени 2, тяги 3, температуры воды 4, установленные на

0 отопительном агрегате 5. Температура воздуха в помещении контролируется с помощью датчиков 6 и 7 температуры воздуха. От блока 1 к горелке 8 агрегата 5 газообразное топливо подводится по трубопроводу 9,

5 а к запальнику 10 - по газопроводу 11. Подвод импульсного газа к датчикам 2 и 3 подводится полинии 12, а к датчику 4-по линии 13. Сброс импульсного газа осуществляется в эжектор горелки 8 по сбросной линии 14.

0 Выходной контакт датчика 7 температуры воздуха подключен к линии электропитания через выходной контакт программного реле 16 времени. Подвод газообразного топлива к устройству осуществляется через

5 штуцер 17 блока 1.

Блок 1 (фиг.2) содержит отсечной клапан 18, который жестко соединен с мембранным приводом 19 осью 20. проходящей через направляющее отверстие седла 21. Про0 странство над отсечным клапаном соединено с импульсной полостью под мембраной 22 с помощью трубки 23 через дроссель 24. через седло 25 - с пространством под мембраной 26 клапана 27, через штуцер 28 - с

5 газопроводом 11 к запальнику 10. Полость под мембраной 26 соединена каналами 29 с полостью под седлом 30 дополнительного клапана 32 и через это седло 30 с полостью под мембраной 31 дополнительного клапана 32. Полость под перегородкой с седлом

30 соединена через ограничивающую вставку 33 со штуцером 34, а полость под мембраной 31 соединена с этим штуцером непосредственно. Со штуцером 34 соединен трубопровод 9 с горелкой 8.

Полость над мембраной 26 питается газом через дроссель 35 в тарелке клапана 27, а сброс из этой полости осуществляется через штуцер 36, к которому подсоединена линия 13.

Полость над мембраной 31 питается через дроссель 37 в тарелке клапана 32, а сброс из полости осуществляется через клапан 38 с шаровой заслонкой 39, укрепленной в цилиндрическом канале верхней крышки 40, выполненной из немагнитного материала. На цилиндрический канал надета катушка 41 электромагнита, а внутри цилиндрического канала крышки размещен также якорь 42 электромагнита 41 со сквозными пазами. Клапан 38 присоединен к сбросной линии 14с помощью штуцера 43.

Полость под мембраной 22 ограничена снизу крышкой 44. К крышке 44 через штуцер присоединена линия 12 отдатчиков 2 и 3. По центру крышки 44 выполнена пусковая кнопка 45. Элементы блока стянуты стяжками 46.

Рассмотрим работу устройства с момента пуска (положение деталей блока 1 на фиг.2 соответствует нерабочем/ положению).

Газообразное топливо подается к устройству через штуцер 17 блока 1 и попадает в полость, ограниченную сверху тарелкой отсечного клапана 18, а снизу - мембранным приводом 19. Усилие от давления газа на тарелку клапана 18 направлено вверх, но одновременно по оси 20 на эту тарелку передается усилие от давления газа, действующего на мембранный привод 19, которое направлено вниз (также вниз направлен вес подвижных частей). Так как эффективная площадь мембранного привода 19 значительно превосходит площадь сечения седла 21 (по которой приложено давление при закрытом клапане), равнодействующая этих усилий направлена вниз и плотно прижимает тарелку отсечного клапана 18 (с мягким уплотнением) к седлу 21, препятствуя проходу газообразного топлива дальше.

Для запуска устройства необходимо нажать на кнопку 45. Шток кнопки поднимается и сдвигает вверх мембрану с жестким центром 22, который в свою очередь нажимает на ось 20, сдвигая ее вверх. При этом сдвигается вверх и отрывается от седла 21 тарелка отсечного клапана 18. Газ начинает поступать в полость над тарелкой отсечного клапана 18.

Отсюда газ направляется, во-первых, через штуцер 28 по линии 11 к запальнику 10, где его поджигают. Факел запальника начинает греть чувствительный элемент 5 датчика 2 пламени (биметаллическую пластину). Во-вторых, газ поступает через дроссель 24 по трубке 23 в импульсную полость под мембраной 22 и далее через второй штуцер в нижней крышке по линии 12 к соплам

0 датчиков 2 и 3. В-третьих, газ подходит к тарелке 27 и через отверстие в дросселе 35 поступает в полость над мембраной 26. Поскольку температура теплоносителя в отопительном агрегате во время пуска низкая,

5 то клапан датчика 4 температуры открыт, поэтому из полости, расположенной над мембраной 26, импульсный газ сбрасывается через штуцер 36 по трубке 13, затем через открытый клапан датчика 4, трубку 14 в

0 эжектор горелки 8. Сечения дросселя 35 и клапана датчика температуры подобраны так, что давление над мембраной 26 мало отличается от атмосферного. Например, при диаметре дросселя 0,5-0,8 мм и диамет5 ре отверстия клапана 10-15 мм отношение проходных площадей более 100. Поскольку давление под тарелкой клапана 27 близко к рабочему, то под действием этого давления тарелка вместе с мембраной 26 поднима0 ется вверх, позволяя газу по каналу 29 поступать в полость под седлом 30. Через дроссельное отверстие 37 (диаметр отверстия 0,5-0,8 мм) в тарелке 32 газ поступает, в полость над мембраной 31. Одновременно

5 газ через ограничивающую вставку 33 поступает в штуцер 34 и далее в трубопровод 9. К горелке 8 газ не поступает, так как кран на трубопроводе 9 закрыт. Для того, чтобы гарантировать закрытие крана перед роз0 жигом предусмотрена, во-первых, такая конструкция хвостовика крана на трубопроводе 9 (не показано), что, не повернув кран в положение закрытия, нельзя нажать на пусковую кнопку; во-вторых, подъем тарел5 ки клапана 18 от нажатия пусковой кнопки ограничен. Поэтому, если кран на трубопроводе 9 при пуске открыт и газ может поступать к горелке, давление на запальнике оказывается очень малым и недостаточным

0 для розжига. Поскольку во время розжига отопительного агрегата температура в помещении низкая, выходные контакты обоих реле 7 и 6 разомкнуты, электромагнит 41 обеспечен, якорь 42 не притянут, находясь

5 в нижнем положении. Поэтому шаровая заслонка 39 под действием своей пружины отжата от сопла и газ из полости над мембраной 31, пройдя через пазы якоря 42 и далее через открытый шаровой клапан 38, штуцер 43 и присоединенную к нему сбросную трубу 14, поступает в эжектор горелки 8 (под действием разрежения в топке агрегата 5).

Поскольку давление под мембраной 31 и тарелкой 32 близко к рабочему, а над мембраной 31 близко к атмосферному, тарелка 32 приподнимается.

В результате прогрева пламенем запальника 10 биметаллический чувствительный элемент датчика 2 прикрывает сопло, сброс импульсного газа через этот датчик прекращается. Поскольку сброс через датик 3 тяги при розжиге топки отсутствует, то давление импульсного газа в полости под мембраной 22 начинает повышаться, Под действием этого давления мембрана 22 поднимается дальше вверх и, преодолевая противодействие мембраны 19 (эффективная площадь мембраны 22 больше эффективной площади мембраны 19), поднимает эту мембрану и соединенную с ней осью 20 тарелку отсечного клапана 18 на полный ход.

Теперь можно отпустить кнопку и открыть кран на трубопроводе 9 к горелке 8. Газ поступает к горелке и газовоздушная смесь, выходящая из нее, воспламенится от факела запальника 10. На этом этап пуска отопительного агрегата заканчивается.

По мере прогрева воды в котле и, соответственно, в отопительной системе начинает повышаться температура воздуха в помещении и достигает уровня настройки датчика 6 (комфортный уровень воздуха в помещении в соответствии со СНиП находится в пределах 18-22°С), выходной контакт датчика замыкается (например, серийный датчик температуры воздуха типа ДТКБ с биметаллическим чувствительным элементом), При этом электрическая цепь 15 оказывается замкнутой и напряжение от источника подается к электромагниту 41. Возникающее внутри катушки электромагнита магнитное поле втягивает якорь 42. Поднявшись, якорь 42 надавливает на шаровую заслонку, она садится на сопло и прикрывает сброс газа из полости над мембраной 31. Давление над и под мембраной 31 выравнивается. При этом мембрана 31 с тарелкой 32 под действием силы тяжести (вес жесткого центра тарелки клапана) начинает двигаться вниз. Количество газа, проходящего через седло 30, начинает снижаться, Давление газа на горелке и одновременно под мембраной 31 снижается, в то время как давление в полости под седлом 30 сохраняется и даже имеет тенденцию к росту (сказывается дросселирующий эффект ограничивающей вставки 33). Поскольку полость над мембраной питается через дроссельное отверстие 37, то по мере прикрытия

тарелкой 32 седла 30 давление в полости возрастает, Процесс принимает ускоренный характер и тарелка под действием разности давлений под и над мембраной 31

прижимается к седлу. При этом расход газа на горелке 8 оказывается сниженным (газ в штуцер 34 поступает только через вставку 33) - так называемый режим малого горения (при соответствующем подборе сечений

0 вставки 33 и седла 30 режим малого горения может быть установлен в пределах 30-50% от номинальной нагрузки горелки).

В результате снижения тепловыделения в топке агрегата температура воды на

5 выходе из котла и в соответствии с этим температура воздуха в помещении начинает снижаться, когда температура воздуха упадет на, величину выбранного дифференциала датчика (например, 2-3°С), контакт

0 датчика 6 разомкнется. При этом электромагнит обесточится, якорь42 поддействием силы тяжести упадет вниз, шаровая заслонка 39 под действием пружины отойдет от сопла клапана 38. Газ из полости над мемб5 раной 31 устремится через открытый клапан 38, через штуцер 43 и трубку 14 в эжектор горелки и далее в зону горения. Давление в полости над мембраной 31 упадет до атмосферного и мембрана 31 вместе с располо0 женной на ней тарелкой 32 под действием повышенного давления снизу сдвинется вверх. Через открывшееся седло 30 газ устремится в штуцер 34 и далее по трубопроводу 9 к горелке. Благодаря дополни5 тельному потоку газа давление на горелке возрастет до номинального - так называемый большой режим горения. Затем процесс повторяется и т.д.

Рассмотрим режим работы с исполь0 зованием реле 16 времени. Например, с использованием реле времени с суточным циклом программы, настроенным на включение в ночные часы (с целью снижения температуры в общественном здании в

5 нерабочее время или снижения температуры в жилом здании, где это допустимо по рекомендации медиков). В соответствии с этим выбирается настройка датчика 7 температуры воздуха в помещении.

0

Например, настройка на размыкание выходного контакта при температуре воздуха 1б°С. При дифференциале 3°С этот контакт замкнется при температуре 19°С

5 (датчик 6 температуры настроен соответственно на диапазон 18-21°С). В данном случае процесс регулирования в ночное время изменится, рассмотрим его начиная с режима малого горения. При этом температура воздуха в помещении падает.

При достижении 18°С разомкнется контакт датчика 6, но цепь питания электромагнита 41 останется замкнутой, поскольку в ночное время выходной контакт реле 15 времени замкнут и питание электромагнита 41 идет через участок цепи 15 с выходными контактами реле 16 и 7. Только когда температура в помещении упадет ниже 16°С, разомкнется контакт реле 7 и электромагнит 41 обесточится. Агрегат перейдет на режим большого горения, в соответствии с чем температура воды и температура в помещении начнут повышаться. Однако уже при 19°С замкнется контакт реле 7, восстановится цепь электропитания через контакты 16 и 7 и котел вновь перейдет на режим малого горения (при выключенном реле времени это происходит при температуре воздуха 21°С). Таким образом температура в помещении будет поддерживаться в диапазоне 16-19°С (ранее 18-21°С). Снижение уровня поддерживаемой температуры в помещении способствует снижению расхода топлива, т.е. экономии тепловой энергии. Процесс циклически повторяется в течение всего периода включения реле 16 времени.

Рассмотрим работу устройства от датчика 4 температуры воды. Этот датчик настраивается в соответствии с условиями климатического периода и требований недопущения перегрева воды выше заданного уровня (например, 90°С). В условиях регулирования нагрузки отопительного агрегата в соответствии с настройками реле 6 и 7 возможны режимы (например, ухудшение теплоотдачи отопительных радиаторов и др.), когда температура воды на выходе отопительного агрегата возрастет до установленного уровня датчика 4. В этом случае клапан этого датчика закрывается, сброс из полости над мембраной 26 прекращается, давле- ние над мембраной 26 возрастает и выравнивается с уровнем давления под ней. Мембрана 26 под действием силы тяжести жесткого центра и тарелки 27 начинает двигаться вниз и это в конечном счете приводит к закрытию седла 25 тарелкой 27 (как это описано для клапана с седлом 30 и тарелкой 32). При этом полностью прекращается подача газа на горелку 8, но запальник 10, получающий питание через штуцер 28, продолжает работать. После снижения температуры воды на величину дифференциала датчика 4 клапан этого датчика откроется, сброс газа из полости над мембраной 26 возобновится, давление над ней упадет, тарелка 27 поднимется под действием избыточного давления снизу. Поэтому газ вновь начнет поступать к горелке 8 в количестве,

зависящем от положения контактов датчиков 6 и 7 температуры воздуха. Таким образом по команде датчиков 6 и 7 обеспечивается режим двухпозиционного регули- 5 рования нагрузки агрегата, например, в диапазоне 50-100% с программным изменением задания, а при подключении датчика 4 процесс регулирования нагрузки становится трехпозиционным в диапазоне 0 0-50-100% (тепловыделением запальника можно пренебречь), Это обеспечивает высокую экономичность и гибкость регулирования. Рассмотрим работу устройства при возникновении предаварийных ситуа5 ций. Например, при потухании пламени начинает охлаждаться чувствительный элемент датчика 2, Деформируясь, он открывает сопло, возникает сброс импульсного газа из полости под мембраной 22 по

0 трубке 12. Поскольку площадь сечения сопла датчика 2 значительно больше площади сечения питающего дросселя 24 (соотношение порядка 1:100) давление в импульсной полости под мембраной 22 резко падает

5 практически до атмосферного уровня. Мембрана 22 с жестким центром находится в соприкосновении с осью 20, которая в свою очередь находится под действием усилия от мембраны 19, находящейся под во.чдей0 ствием входного давления газа, поэтому вся система подвижных частей начинает двигаться вниз и это приводит к перекрытию седла 21 тарелкой 18, т.е. к полной отсечке газа на горелку и запальник, т.е.

5 прекращению работы отопительного агрегата 5.

Повторный запуск возможен только путем нажатия кнопки 45 при условии устранения причины аварийной остановки.

0 Действие датчика 3 тяги (разрежения) аналогично датчику 2 пламени, эти датчики подключены параллельно к блоку 1 защиты и регулирования с помощью импульсной линии 12. При ухудшении разряжения в топке

5 агрегата 5 чувствительный элемент - биметаллическая пластинка - начинает прогреваться продуктами сгорания, выходящими (в смеси с воздухом) через отверстие в корпусе (не показан). Это приводит к быстрому

0 прогреву (в течение 15-20 с) и деформации чувствительного элемента. Он открывает со- пло, возникает сброс импульсного газа из полости под мембраной 22 по трубке 12. Дальнейшее действие элементов блока 1

5 аналогично описанному для датчика 2 пламени. Это приводит к полной отсечке газа на горелку и запальник, т.е. прекращению работы отопительного агрегата.

При падении давления газа в сети снижается также импульсное давление под

мембраной 22. Подвижные элементы 18-20 и 22 под действием силы тяжести, а также давления сетевого газа на мембрану 19 сверху начинают опускаться вниз, Это приводит к снижению зазора между седлом 21 и тарелкой отсечного клапана 18. в результате дросселирования еще более снижается давление в импульсной системе, получающей питание из пространства за клапаном 18 по трубке с дросселем 24 и т.д.

Процесс завершается полной отсечкой газа на горелку и запальник, т.е. прекращением работы отопительного агрегата 5. Задание минимального допустимого давления газа (давления отсечки} осуществляется в основном выбором массы дисков жесткости мембранных приводов 19 и 22 (например, для минимального давления 600 Па при рабочем давлении 1300 Па).

Задание грузовое, влияние сил упругости вялых мембран элементов 19 и 22 несущественно.

В автоматике имеется конструктивная и технологическая связь между блоком 1 защиты и регулирования и датчиками контролируемых параметров. Эта связь является необходимой и существенной, количество датчиков определяется нормативами.

Датчик 4 температуры воды, связанный импульсной линией с пространством над мембраной 26 и клапаном 27, управляет процессом двухпозиционного регулирования в диапазоне практически 0-100% (производительностью постоянно работающего запальника можно пренебречь). Поэтому этот контур регулирования, который может полностью, на необходимое время, отключать основную горелку, используется и как контур защиты по перегреву воды, т.е. является одновременно частью блока защиты. С другой стороны, часть контура регулирования, которой управляют датчики 6 и 7 температуры воздуха и реле 16 времени и которая осуществляет процесс двухпозиционного регулирования в диапазоне 50- 100%, не может работать без защиты по падению давления газа. Так на режиме Малый огонь, если упадет давление газа в сети, давление на горелке 8 инжекционного типа (которая, как правило, используется с соответствующими агрегатами и автоматикой) упадет до уровня проскока (например, ниже 600 Па), что может вызвать повреждение горелки. Такой опасный режим исключается благодаря срабатыванию контура защиты при падении давления газа в сети

(как описано). Через этот контур давление питания уже не будет поступать в контур регулирования.

Процесс регулирования отопительной нагрузки за счет учета температуры воздуха

внутри отапливаемого помещения обеспечивает экономию топлива не менее 3-5%. Формула изобретения Автоматика газифицированного отопительного агрегата, содержащая пневмогазовый блок защиты и регулирования с клапаном, имеющим мембранный привод, и связанные с ним датчики пламени, тяги и температуры воды, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности ре гули рования, она дополнительно содержит два датчика температуры воздуха и программное реле времени, пневмогазовый блок защиты и регулирования снабжен дополнительным клапаном с мембранным приводом

и каналами, байпасирующими его, электромагнит с якорем и сопло с шаровой заслонкой, расположенной над якорем электромагнита, при этом выходы дополнительного клапана и каналов, байпасирующих его, подключены к горелке агрегата, надмембранная полость привода клапана пневмогазового блока подключена к сбросной линии через датчик температуры воды, надмембранная полость дополнительного

клапана - к сбросной линии через сопло с шаровой заслонкой, в цепь питания электромагнита подключены два параллельно включенных выходных контакта соответственно двух датчиков температуры воздуха и,

кроме того, последовательно с одним из этих контактов включены контакты программного реле времени.

w

#.

г

я.

/740

Ш

/

Изобретение позволяет повысить точность регулирования автоматики. К блоку 1 защиты и регулирования подключены датчики пламени 2, тяги 3, температуры воды 4. В блоке 1 расположен основной клапан, над- мембранная полость привода которого подключена к сбросной линии 14 через датчик 4. и дополнительный клапан, надмембран- ная полость привода которого подключена к сбросной линии через сопло с шаровой заслонкой, расположенной над якорем электромагнита. Выходы дополнительного клапана и каналов, байпасирующих его. подсоединены к горелке 8 агрегата. В цепь питания электромагнита включены два параллельно расположенных контакта соответственно двух датчиков 6 и 7 температуры воздуха, которые размещены внутри отапливаемого помещения. Последовательно с одним из этих контактов расположен выходной контакт программного реле времени 16. 2 ил. Ј Ы v| кэ GJ Ю VI