APARATO PARA REGULAR CICLOS TÉRMICOS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AIRE FORZADO.

Un método para regular los ciclos en un sistema de calentamiento de aire forzado que tiene un quemador (24),

un intercambiador de calor (22), y un ventilador (16), dicho método comprende las etapas de: hacer una pluralidad de mediciones de una temperatura de salida del aire del intercambiador de calor; observar una medición de temperatura de la pluralidad, después de que el quemador se ha prendido; inicializar un intervalo de confirmación cuando dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una medición de temperatura de la pluralidad al final del intervalo de confirmación; si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente la misma que las dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar dicha misma medición de temperatura como una temperatura de estado estable; e interrumpir el fuego del quemador durante un intervalo de interrupción; dicho intervalo de interrupción es suficiente para permitirle a la temperatura del intercambiador de calor caer por debajo de un valor útil

CAMPO DE LA INVENCIÓN:

La invención se relaciona en general con dispositivos que consumen combustibles fósiles (gas/petróleo) en el proceso de generar un medio de calentamiento (aire) utilizado con el propósito de calentar un área que requiera un ambiente controlado de temperatura (espacio).

El propósito de esta invención es reducir el consumo de combustible del sistema de calentamiento responsable por la generación del medio de calentamiento que está siendo distribuido en todo el espacio a ser calentado. Esta reducción de combustible se debe lograr sin efectos colaterales indeseables para originar fluctuaciones en la temperatura, dentro del ambiente controlado más allá de aquellos que existen antes de la instalación de la invención.

ANTECEDENTE DE LA INVENCIÓN:

Los sistemas de calentamiento de aire forzado que utilizan quemadores con fuego de gas o petróleo como medios para calentar el medio de calentamiento (aire) se comprenden usualmente de los siguientes componentes:

a) Termostato; que detecta la temperatura dentro del espacio deseado y activa el quemador del horno. b) Quemador; que genera una llama y gases calientes. c) Intercambiador de calor; el dispositivo utilizado para transferir la llama y las temperaturas de gas caliente al medio de calentamiento (aire). d) Medios de distribución de medio de calentamiento; usualmente trabajo de ducto. e) Ventilador de Circulación; utilizado para forzar el medio de calentamiento a través de los medios de distribución. f) Ítems dentro del ambiente controlado que tienen masa térmica e inercia. Tal sistema de calentamiento de aire forzado se describe por ejemplo en la US-A-5 248 083. Un sistema de calentamiento de aire forzado residencial típico se controla usualmente de la

siguiente manera: Cuando existe necesidad de calentar dentro del espacio, el termostato del espacio llama el calor directamente energizando el quemador. Una vez que se ha alcanzado cierta temperatura dentro del intercambiador de calor del horno, el ventilador de circulación de aire es arrancado independientemente utilizando su propio termostato interno. El ventilador de circulación del aire forza el medio de calentamiento a través de los medios de distribución y hace que el calor se incremente dentro del espacio controlado. Cuando se alcanza un punto específico de temperatura en el espacio deseado, el termostato del espacio desenergiza el quemador. El ventilador de circulación de aire continúa corriendo hasta que la temperatura dentro del intercambiador de calor cae a una cierta temperatura (como se establece por vía de las unidades del termostato intercambiador de calor interno). El esquema de control antero se repite una u otra vez como medios de controlar la temperatura del espacio. En una aplicación comercial típica (horno de techo), el ventilador de circulación de aire puede correr de manera continua. En relación con los sistemas de calentamiento, es de conocimiento general que las

capacidades de salida de los sistemas de calentamiento están usualmente determinados por: a) El peor de los escenarios (cargas de diseños) que los sistemas se espera que encuentre.

b) Metraje cuadrado y otras consideraciones arquitectónicas de la instalación.

c) Expansiones futuras anticipadas.

d) Degradación esperada de la salida del sistema debido al envejecimiento.

En cualquier momento la demanda sobre el sistema de calentamiento es menor que la capacidad de calentamiento del sistema, el sistema de calentamiento está sobredimensionado. Esta condición de sobre-dimensionamiento existe, dentro de un sistema típico diseñado adecuadamente, aproximadamente el 85% del tiempo y origina que el sistema de calentamiento genere un ciclo del quemador como medio para controlar la temperatura dentro del espacio deseado.

La experimentación ha mostrado que la temperatura del aire que es descargado desde el horno tenga una temperatura terminal (máxima) que se alcanza, sin importar que tanto está quemando el quemador. Esta temperatura terminal se alcanza siempre y cuando el horno esté siendo utilizado en un diseño menor que el máximo y es causado por la incapacidad del intercambiador de calor de transferir el calor total generado por la llama y los gases calientes al medio de calrentamiento. Esta incapacidad del intercambiador de calor es parcialmente debida a las ineficiencias del intercambiador de calor mismo y parcialmente a la incapacidad del medio de calentamiento a absorber todo el calor que el quemador es capaz de generar. Mantener el fuego del quemador durante este periodo de temperatura terminal no es productivo y se desperdicia porque el calor que no es absorbido por el medio de calentamiento es expelido como gases calientes, usualmente a través del sistema de gases de chimenea.

La experimentación también ha probado que la energía térmica adicional está disponible en el intercambiador de calor mismo. Esta energía se puede utilizar durante un periodo relativamente breve del quemador para mantener temperaturas del aire de descargas de calentamiento adecuadas.

Se logra ahorro de combustible, aunque mantener las mismas condiciones de temperatura de espacio, al generar ciclos inteligentemente del quemador alrededor de esta “temperatura térmica”, y al utilizar el calor adicional disponible para la extracción desde el intercambiador de calor.

La inercia térmica y el almacenamiento térmico de los ítems dentro del espacio controlado son utilizados como un capacitor, de clases, para absorber cualquiera de las transiciones térmicas de corto plazo.

También se ha mostrado experimentalmente que aunque hacer ciclos en el quemador cerca de la temperatura terminal del intercambiador de calor conduce a una reducción de combustible, en necesario no permitir que la temperatura del aire de descarga caiga demasiado bajo. Demasiado bajo, es el punto en el cual habría insuficiente energía de calor disponible para suministra calentamiento para el espacio y/o el punto en el cual el ventilador circulador de aire se detendría indeseablemente durante un llamado de calentamiento. El método, el aparato y el sistema de calentamiento descrito aquí no permitirá que esto pase.

OBJETOS DE LA INVENCIÓN:

La presente invención busca reducir el consumo de combustible de los sistemas de calentamiento de aire forzado (horno) al modificar y controlar los ciclos del quemador. Es importante notar que la invención trabaja en conjunto con el dispositivo de control del sistema de calentamiento (termostato), y puede no hacer que quemador queme a menos que exista un llamado específico para hacerlo así mediante el dispositivo de control del sistema de calentamiento.

Se determina la temperatura terminal del intercambiador de calor y la carga impuesta sobre el sistema de calentamiento. Estos datos se utilizan mediante un programa de computadora para modificar los ciclos del quemador con el fin de hacer el uso más eficiente del combustible convertido energía térmica.

Esto se logra, al detectar la temperatura del aire de descarga con un sensor. La información de temperatura es procesada por el programa de computadora y origina indirectamente todas las modificaciones del ciclo del quemador. La temperatura terminal del intercambiador de calor se determina y luego se basa en el tiempo tomado para lograr esta temperatura terminal, en un ciclo de quemador con base en el ciclo, se determina la carga del sistema de calentamiento. Cuando se determina la carga del sistema, la cantidad de caída de temperatura permitida también varía de ciclo de quemado a ciclo para lograr la manera más deseable y eficiente en la cual controlar el quemador.

Por lo tanto es deseable un dispositivo de ahorro de energía capaz de ser utilizado en sistemas de control de tipo de demanda comercial e industrial (termostato). Esta invención sería adecuada para nuevos, retroajustes e instalaciones de fabricante de equipo (OEM). También es el intento de las invenciones ser simples para instalar y no requerir ninguna programación o ajuste

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS:

La figura 1 es un diagrama de un sistema que muestra la invención en un sistema de calentamiento de aire forzado típico (horno).

La figura 2 es un diagrama alambrado que muestra la invención instalada en el alambrado del sistema de calentamiento.

La figura 3 es un esquema electrónico de la caja de control de la invención.

La figura 4 es...

1. Un método para regular los ciclos en un sistema de calentamiento de aire forzado que tiene un quemador (24), un intercambiador de calor (22), y un ventilador (16), dicho método comprende las etapas de: hacer una pluralidad de mediciones de una temperatura de salida del aire del intercambiador de calor; observar una medición de temperatura de la pluralidad, después de que el quemador se ha prendido; inicializar un intervalo de confirmación cuando dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una medición de temperatura de la pluralidad al final del intervalo de confirmación; si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente la misma que las dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar dicha misma medición de temperatura como una temperatura de estado estable; e interrumpir el fuego del quemador durante un intervalo de interrupción; dicho intervalo de interrupción es suficiente para permitirle a la temperatura del intercambiador de calor caer por debajo de un valor útil.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el cual intervalo de interrupción se determina por las etapas de: registrar un primer tiempo de inicio; registrar un primer tiempo de detención; y determinar un tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención; dicho intervalo de interrupción es una función del tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2 en el cual el primer tiempo de inicio está en o después del prendido del quemador.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 en el cual el primer tiempo de inicio está en encendido del ventilador.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en donde, si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente diferente de las dos mediciones de temperatura consecutivas: observar adicionalmente las mediciones de temperatura de la pluralidad; inicializar un intervalo de confirmación cuando las dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una medición de temperatura de la pluralidad al final del intervalo de confirmación; si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente la misma que las dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar un primer tiempo de detención, determinar un tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención,

registrar dicha misma medición de temperatura como una temperatura de estado estable, interrumpir el fuego del quemador durante un intervalo de interrupción; dicho intervalo de interrupción es una función del tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, el cual, después del intervalo de interrupción, comprende adicionalmente las etapas de: registrar un nuevo primer tiempo de inicio en un nuevo tiempo cuando el quemador se prende; inicializar un nuevo intervalo de confirmación cuando unas nuevas dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una nueva medición de temperatura de la pluralidad al final del nuevo intervalo de confirmación; si la nueva medición de temperatura al final del nuevo intervalo de confirmación es sustancialmente igual como las nuevas dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar un nuevo primer tiempo de detención, determinar un nuevo tiempo trascurrido desde el nuevo primer tiempo de inicio al nuevo primer tiempo de detención, registrar dichas mismas nuevas mediciones de temperatura como una nueva temperatura de estado estable, interrumpir el fuego del quemador durante un nuevo intervalo de interrupción; dicho nuevo intervalo de interrupción es la función del nuevo tiempo trascurrido desde el nuevo primer tiempo de inicio al nuevo primer tiempo de detención.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6 en donde, si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente diferente de las dos mediciones de temperatura consecutivas: observar adicionalmente las mediciones de temperatura de la pluralidad; inicializar un intervalo de confirmación cuando las dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una medición de temperatura de la pluralidad al final del intervalo de confirmación; si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente la misma que las dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar un primer tiempo de detención, determinar un tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención, registrar dicha misma medición de temperatura como una temperatura de estado estable, interrumpir el fuego del quemador durante un intervalo de interrupción; dicho intervalo de interrupción es una función del tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención.

8. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 2, 5, 6 o 7 en el cual la función es un porcentaje del tiempo trascurrido.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 en el cual el porcentaje se optimiza en sustancialmente el 20%.

10. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 2, 5, 6 o 7 en el cual la función es un valor de temperatura derivado del tiempo trascurrido.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 10 en el cual el valor de la temperatura es preferiblemente:

donde: TP es le valore de temperatura preferido en grados Fahrenheit, y Lt es el tiempo trascurrido en segundos.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende adicionalmente las etapas de: determinar una temperatura de salida de aire en la cual un ventilador de circulación se corta para definir una temperatura de corte de ventilador; registrar dicha temperatura de corte de ventilador; agregar un margen de temperatura a la temperatura de corte de ventilador, la suma de la cual es una temperatura de terminación del intervalo de interrupción.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12 en el cual, si la temperatura del aire de salida, durante el intervalo de interrupción, es menor que la temperatura de terminación del intervalo de interrupción, entonces finalizar el intervalo de interrupción.

14. Aparato para regular los ciclos de corrido del quemador en un sistema de calentamiento de aire forzado, dicho aparato comprende: medios de sensor (64) para medir la temperatura de salida del aire de un intercambiador de calor (22); medios de circuito electrónico (62) para: registrar un primer tiempo de inicio en un momento cuando el quemador (24) se prende; monitorear los medios de sensor (64); inicializar un intervalo de confirmación cuando dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una medición de temperatura en un extremo del intervalo de confirmación; si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente la misma que las dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar un primer tiempo de detención, determinar un tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención, registrar dicha misma medición de temperatura como una temperatura de estado estable, interrumpir el fuego del quemador durante un intervalo de interrupción.

15. Un sistema de calentamiento de aire forzado que tiene: un quemador (24); un intercambiador de calor (22); una salida de aire del intercambiador de calor; un sensor de valor de energía del espacio (36); un sensor de valor de energía del intercambiador de calor (18); una bomba de aire circulante (16); y que comprende: medios de sensor (64) para medir la temperatura de salida del aire de un intercambiador de calor (22);

medios de circuito electrónico (62) para: registrar un primer tiempo de inicio en un momento cuando el quemador se prende; monitorear los medios de sensor; inicializar un intervalo de confirmación cuando dos mediciones de temperatura consecutivas de la pluralidad son sustancialmente iguales; observar una medición de temperatura al final del intervalo de confirmación; si la medición de temperatura al final del intervalo de confirmación es sustancialmente la misma que las dos mediciones de temperatura consecutivas: registrar un primer tiempo de detención, determinar un tiempo trascurrido desde el primer tiempo de inicio al primer tiempo de detención, registrar dicha misma medición de temperatura como una temperatura de estado estable, interrumpir el fuego del quemador durante un intervalo de interrupción.

16. El sistema de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 15 que tiene adicionalmente el quemador (24) controlado por medios para conducir desde el sensor de valor de energía del espacio (36); Que comprende adicionalmente: medios (38) para detectar una señal desde el sensor de valor de energía del espacio (36); y un interruptor conmutado den los medios de conducción controlados por los medios de circuito electrónico (62).

17. El sistema de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 15 en el cual el medio de detección de señales un aparato con un amplio rango de entradas de voltaje.

18. El sistema de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 17 en el cual el amplio rango de entradas de voltaje está entre 24 VAC y 240 VAC.

19. El sistema de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 18 en el cual el medio de detección de señal incluye un optoaislador (102).

20. El sistema de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 15 en el cual el medio de circuito electrónico comprende un microprocesador (100).