用于确定进口温度的方法，热发生器以及控制装置与流程

本发明涉及一种用于确定热发生器中待加热流体的进口温度的方法，一种用于控制热发生器的方法，一种用于启动热发生器的方法，一种热发生器以及一种使用于热发生器的控制装置。

背景技术：

1、现有技术中已知的热发生器在燃烧器装置的帮助下，用于加热流经该热发生器的流体，其中流入的流体需要从其进口温度开始直到被加热到所需的目标温度。

2、所述热发生器经常用于建筑物的供水过程中，例如，为了将从外部供应源提供的饮用水加热到所需的温度，以便随后使用。之后，被加热的水可以作为热水用于供应淋浴和类似的卫生设施。

3、在收到对热水的要求后，例如通过操作卫生水龙头，流经热发生器的水在燃烧器装置的帮助下使用燃烧器火焰进行加热，然后直接或在与冷水混合后提供。

4、出于能源及与之相关成本以及舒适度的考虑，优选地需要尽可能精确地控制热发生器的出口温度，并且需要，包括但不限于此，尽可能快得达到并保持所需的温度。考虑到通常情况下在运行时热发生器的运行参数会大幅波动，特别是由外部供应源确定的进口温度参数会大幅波动，为实现热发生器的优化控制，需要相应地考虑这些因素。

5、例如，使用基于气体的燃烧器装置加热水的热发生器在us 5 322 216 a1中是已知的，其中经由各自的温度传感器采集流入热发生器或流出该热发生器的水的进口和出口温度，以便在考虑进口温度波动的情况下，使出口温度尽可能地保持在一个理想的、通常是预设的值。

6、为了达到用户认为舒适的上述热发生器的运行，使得热发生器的运行变得越来越复杂，包括但不限于广泛的传感器和评估单元，用于采集和处理各种运行参数。这不仅增加了制造成本，还增加了热发生器的几何尺寸以及维护成本。

技术实现思路

1、因此，本发明的任务是相对于现有技术提供一种更高效的通过热发生器加热流体的可能性。

2、为了解决这一任务，提供了一种根据本发明的用于确定热发生器中待加热流体的进口温度的方法，一种根据本发明的用于控制热发生器的方法，一种根据本发明的用于启动热发生器的方法，一种根据本发明的热发生器和一种根据本发明的控制装置。

3、优选的实施方案它们各自可以单独或组合提供。

4、根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定热发生器中的待加热流体的进口温度的方法，该热发生器具有燃烧器装置。该方法包括运行热发生器以加热流经热发生器的流体；采集从热发生器的出口流出的流体的出口温度；采集燃烧器装置的调制参数的运行值，该调制参数调节燃烧器装置的加热功率；提供热发生器的加热功率函数，该加热功率函数基于燃烧器装置的调制参数描述燃烧器装置的用于加热流体的加热功率；提供流经热发生器的流体的体积流率，以及确定流入热发生器进口的流体的进口温度，其中进口温度是根据提供的加热功率函数、提供的体积流率、采集到的出口温度和采集到的调制参数的运行值确定的。

5、燃烧器装置的调制参数在此可以理解为燃烧器装置的任何运行参数，通过该参数可以调节燃烧器装置的加热功率，并且该参数在控制热发生器时通常也担任执行器的角色。

6、加热功率函数在此可以理解为对所述调制参数与为了加热流体而提供的或可用的燃烧器装置加热功率之间的关系的任何描述。例如，这可以但不限于以数学函数、数值表或特征曲线的形式给出。关于加热功率函数的例子，参考图4a和图4b。

7、燃烧器装置是一种对燃料，特别是可燃气体，或空气-燃料混合物进行火焰式燃烧，并形成燃烧器火焰的装置，在此过程中释放的热能被用来加热流体。

8、例如，燃烧器装置可以包括一个预混合燃烧器，在该预混合燃烧器中，空气和燃料在进入燃烧室之前被预混合。作为一个非限制性例子，在这种情况下的调制参数是调节预混空气-燃料混合物中的燃料量的燃烧器装置运行参数，例如燃料阀的开启程度或空气-燃料混合阀的阀位。另一个可能的调节参数是输送空气-燃料混合物的鼓风机单元的功率。

9、燃烧器装置也可以包括，例如，扩散式燃烧器，在该扩散式燃烧器中，空气和燃料首先在燃烧室中混合。作为一个非限制性例子，在这种情况下的调制参数是调节进入燃烧室的燃料量的燃烧器装置运行参数，例如燃料阀的打开程度。

10、所提供的体积流率是指热发生器运行期间的流体的体积流率，例如可以指定为以升/分钟为单位。例如，在流体可压缩的情况下，体积流率在沿流动路径的不同位置上可以是不同的；但体积流率也可以是恒定的，例如在不可压缩的流体的情况下。所提供的体积流率在此可以是在沿流动路径从进口到出口的任何一点上的体积流率。优选的是在进口或出口处的体积流率，或者是其平均的体积流率。

11、流体的进口温度通常情况下相对而言受制于较大的波动，而且基本上是由外部供应源决定的，例如，由于外部温度不同，季节不同，等等，饮用水供应会在热发生器的进口处提供不同的温度。

12、通过了解进口温度，在控制热发生器的过程中可以考虑到其上述波动，以使热发生器在进口温度变化的情况下仍能稳健、稳定地运行。因此，可以避免液体过热而超过设定的目标温度，或者减少达到目标温度之前的时间，这不仅增加了使用热发生器时的舒适感，而且还可以优化热发生器的运行，据此，例如，可以将运行时产生的能源成本最小化，或者增加热发生器的使用寿命(例如，通过避免过热的不利运行状态)。

13、通过所提供的用于确定进口温度的方法，热发生器进口处的流体的进口温度可根据热发生器上可用的其他系统变量有利地确定，不需要使用额外安排在进口处的温度测量装置或温度传感器。这意味着，在不必放弃使用进口温度来控制发热体的有利可能性的情况下，包括但不限于，制造成本和安装空间都得到了节省，热发生器的维护成本也得到了减少，因为至少少了一个需要维护的部件。

14、通过这种方式，提供了一种特别有效的通过热发生器加热流体的方法，该方法不需要在进口侧设置温度传感器。

15、在下文中，在考虑到简化假设的情况下，描述了在所提供的加热功率函数基础上基于热力学领域的关系对进口温度的确定。为了简化，假设动能和势能的变化以及所考虑的流体流的压力可以被忽略。然而，本发明提供的方法不应理解为仅限于具有这些简化假设的流体流。建模也可以包括上述变量的变化，从而为热发生器的热力学过程提供了一个更准确的描述。

16、考虑到上述假设，热力学第一定律在考虑到连续性方程(质量守恒)的情况下，对稳定的流体流简化为根据方程1的关系，包含可转移(由燃烧器装置提供)到流体流的热流率流体的质量流率以及进口处z和出口处a的具体焓值hf。点状符号对应的是时间差商。

17、

18、上述具体焓值hf,a,hf,z的差异在所述恒定压力的假设下，可以根据方程2通过流体的具体热容量cp给出。

19、(hf,a-hf,z)＝cp(ta-tz)＝cpδt  [方程2]

20、根据方程1和2，对于出口和进口之间的温度变化δt，根据方程3得出以下关系，其中，质量流率基于流体的密度ρf和体积流率qf(对应于通过热发生器的体积流率)给出。方程3应作为解释加热功率函数的起点。

21、

22、例如，加热功率函数可以根据方程4，以参考流体流率在出口和进口之间的可转换温度变化的形式表示加热功率，表达为燃烧器装置的调制参数mp的函数(加热功率函数f(mp))，其中参考流体流率是参考流体(最好与运行期间待加热的流体相同)的流体流率，具有参考质量流率或参考体积流率qref和参考密度ρref以及流体特定的参考热容量cp,ref。

23、f(mp)＝δtrefbei qf＝qref,ρf＝ρref,cp＝cp,ref  [方程4]

24、为了提供这种加热功率函数，在此最好对参考流体流经过的热发生器进行初始校准，在此过程中，采集不同调制参数mp值对应的温度差异。

25、在方程3的意义上对参考流体流的能量考虑进而提供了根据方程5的关系，它本身可以与方程3相关联，以获得根据方程6的关系，即得到在偏离参考流体流率的条件下的可转换温度变化δt，其表达为(根据方程4给出的)参考流体流率的加热功率函数f(mp)的函数。

26、

27、

28、基于方程6中的关系，应该注意的是，加热功率函数也可以额外地在一个或多个与参考流体流有关的其他状态变量的基础上进行定义，例如表达为f*(mp)＝δtrefqref或表达为f**(mp)＝δtrefqrefρref，由此，所述状态变量将不再明确地包括在方程6中。

29、使用所采集的出口温度ta，进口温度tz可以根据以下方程7给出。

30、

31、优选的是，在热发生器中待加热的流体是参考流体，以及该参考流体优选的是不可压缩的流体或被模拟成不可压缩流体，特别是水或水溶液。这样可以在实施本方法的过程中假定密度恒定和具体热容量相同，从而得到根据方程8的简化关系。

32、

33、在最简单的情况下，热发生器可以被设计成总是提供恒定的，运行中不发生改变的待加热流体的体积流率，这样体积流率和参考体积流率总是匹配的。这给出了根据方程9的高度简化关系，特别是在不可压缩的情况下。

34、tz＝ta-f(mp)  [方程9]

35、作为替代，加热功率函数也可以独立于参考流体流率指定，这样就可以提供一个更普遍的加热功率的描述。在这种情况下，加热功率函数g(mp)可以直接描述由燃烧器装置提供的热流率作为调制参数mp的函数(见方程10)。据此，根据方程3，进而得出根据方程11的进口温度tz的关系。

36、

37、

38、根据加热功率函数和在确定进口温度的过程中所提供和采集的变量，可以确定流入热发生器的流体的进口温度，而不必依赖位于进口侧的温度传感器。

39、关于方程1至3的示例性关系，在一个优选的实施方案中，依据本发明的方法进一步包括提供一个热力学热方程，该方程基于提供给流体的热流率描述了流体的温度变化，其中进口温度的确定是额外在所提供的热力学热方程的基础上进行的。

40、热力学热方程被理解为，包括但不限于，按照方程2的方式给出的关系。

41、通过这种方式，可以提供一个脱离流体特性(与参考流体流的情况相比)的加热功率函数，例如在方程10的意义上，其中，加热功率函数由热力学热方程的额外信息补充，以确定进口温度。通过这种方式，加热功率函数可以普遍用于各种流体，因为在待加热的流体发生变化的过程中只需要调整热力学热方程，而不需要调整针对热发生器特定的加热功率函数本身。

42、在一个优选的实施方案中，确定进口温度包括根据所提供的加热功率函数和所采集到的调制参数的运行值确定热发生器的燃烧器装置的加热功率；根据所确定的加热功率确定由热发生器提供给流体的热流率；根据所确定的热流率、所提供的热力学热方程和所提供的体积流率，确定由热发生器引起的流体的温度变化；以及根据所采集的出口温度和所确定的温度变化，确定进口温度。

43、根据上述流程，可以实现对各个能量变量的逐步评估，以确定进口温度，例如根据基于方程10和11的方法，并加上相应的中间步骤，并且这些步骤还可以在监测热发生器的过程中记录下来。

44、与持续恒定提供体积流率的简单情况相反，热发生器还存在提供可变体积流率的可能性，例如，基于热发生器的控制装置上提供的体积流率要求对可变体积流率进行设置，则此种情况下，可以扩展本发明提供的方法以包括采集待加热流体的体积流率的步骤。

45、因此，在依据本发明的方法的一个优选实施方案中，提供流经热发生器的流体的体积流率的步骤包括采集流经热发生器的流体的体积流率，从而将该方法扩展到具有可变或可调体积流率的热发生器上使用。

46、此处的体积流率可以在出口处、进口处或热发生器的中间采集点使用体积流率测量装置进行测量，例如以动态压力传感器的形式。

47、如果要加热的流体是可压缩的流体(例如以气体的形式)，则依据本发明的方法优选地包括提供密度的步骤，特别是密度的采集，该采集最好与体积流率的采集在同一采集点进行，这样就可以从同一采集点的密度和体积流率的组合中推断出流经热发生器的流体的质量流率。

48、在一个优选的实施方案中，采集从热发生器的出口流出的流体的出口温度包括采集从热发生器的出口流出的流体的出口温度的时间轨迹；根据所采集的出口温度的时间轨迹检测热发生器的稳定运行状态；在采集到的稳定运行状态下，从所采集到的出口温度的时间轨迹中选择一个出口温度；以及将所选择的出口温度作为采集到的出口温度输出，用于确定进口温度。

49、通过这种方式，用于确定进口温度的出口温度在热发生器的稳定运行状态下被采集下来，而没有被可能的瞬时的暂态过程影响，这提高了所确定的进口温度的准确性。如果一个运行状态的特点是在较长的时间内基本保持不变的运行变量(例如，恒定的出口温度)，则该运行状态应理解为是稳定的。

50、检测稳定运行状态的方式是，如果出口温度在目标温度周围的预定限制范围内持续了预定的时间，则检测到稳定运行状态。例如，但不限于，在出口温度围绕目标温度在±0.5℃的限制范围内持续10秒后，则检测到稳定的运行状态。

51、作为替代，也可以根据采集到的出口温度的时间轨迹的时间变化率来检测稳定的运行状态。在这种情况下，如果随时间变化的速率在预定的时间范围内处于零左右的预定限制范围内，则采集到稳定状态。例如，但不限于，当随时间变化的速率在0℃/s值周围的±0.5℃/s的限制范围内持续10秒钟后，则检测到稳定状态。

52、根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制热发生器的方法，该热发生器具有燃烧器装置用于加热流体，该方法包括根据本发明第一方面的方法确定由热发生器加热的流体的进口温度，以及至少基于所确定的进口温度来控制热发生器。

53、通过了解进口温度，在控制热发生器时可以考虑到该进口温度的波动，以使热发生器在进口温度变化的情况下仍能稳健和稳定地运行。

54、优选的是，额外地基于在确定进口温度的过程中所提供的加热功率函数来控制热发生器。这样，在控制热发生器的过程中设置调制参数时，可以有利地使用由加热功率函数提供的信息。

55、在一个优选的实施方案中，依据本发明的方法进一步包括为流出热发生器的流体提供一个目标温度，其中对热发生器的控制额外地基于所提供的目标温度进行，并且为此，该方法至少包括基于所提供的目标温度和所确定的进口温度调整燃烧器装置的调制参数的运行值，特别是基于所提供的加热功率函数。

56、基于已知的进口温度，可以获得关于将由热发生器所带来的流体的温度变化的信息，以达到所需的目标温度，在此基础上，可以实现对热发生器的高效控制。

57、例如，由调制参数调节的加热功率可以被限制，从而可以避免液体过热而超过设定的目标温度。同样地，加热功率的设置也可以使达到目标温度的时间尽可能短。

58、这不仅增加了使用热发生器时的舒适感，而且还可以优化热发生器的运行，从而使得，例如，运行期间产生的能源成本可以降到最低，或热发生器的使用寿命可以得到延长(例如，通过避免过热的不利运行条件)。

59、优选地，依据本发明的方法进一步包括采集从热发生器的出口流出的流体的出口温度，其中对热发生器的控制额外地基于所采集的出口温度进行，特别是基于提供的目标温度、确定的进口温度和采集到的出口温度对燃烧器装置的调制参数的运行值进行调整。

60、关于流体的出口温度，可以实现基于实际温度和提供的目标温度之间的偏差的控制。

61、在一个优选的实施方案中，依据本发明的方法进一步包括采集流经热发生器的流体的体积流率，其中在控制热发生器时对燃烧器装置的调制参数的运行值的调整是额外地基于所采集到的体积流率来执行的。

62、这提供了另一个输入变量，可以在控制热发生器的过程中使用。

63、在一个优选的实施方案中，依据本发明的方法包括提供一个pi控制器，该pi控制器被设置为用于调整燃烧器装置的调制参数的运行值，以用于控制热发生器；该方法还包括设置pi控制器的至少一个控制参数，该设置至少基于所采集到的进口温度和可选地另外基于所采集到的体积流率和/或所提供的目标温度。

64、所述pi控制器优选地被设置为基于所提供的目标温度和采集到的出口温度(实际温度)之间的差异来控制出口温度，以便在控制热发生器的过程中尽快使出口温度达到所需的目标温度，同时保持其稳定。此外，在达到设定目标温度的过程中，还要防止出现过度的过冲或过低的情况。

65、pi控制器的优点是众所周知的，在本发明提供的方法中，它可以最佳地适应于针对各自的环境条件(进口温度、体积流率等)，以便实现例如出口温度的稳定和稳健控制。

66、根据本发明的第三方面，提供了一种用于启动热发生器的方法，该热发生器具有用于加热流体的燃烧器装置，该方法至少包括根据本发明第一方面的方法确定待由热发生器加热的流体的进口温度，以及存储所确定的进口温度，从而在热发生器的第二运行阶段的启动阶段点燃燃烧器装置的燃烧火焰，第二运行阶段在第一运行阶段之后。

67、通过存储进口温度，可以有利地将该存储的进口温度用于控制热发生器的后续运行阶段，特别是在热发生器第二运行阶段的启动阶段，在此期间，由于通常是极其动态的过程，无法根据根据第一方面的方法确定进口温度，因为确定进口温度要求燃烧器已经被点燃并且已经达到稳定状态。因此，第二运行阶段的启动阶段可以有利地使用在前一个启动阶段中确定的进口温度来进行。

68、优选的是，在第一个运行阶段之后的每一个进一步的运行阶段中，更新存储的进口温度，从而使得在控制过程中，特别是在每一个阶段的启动阶段，关于进口温度的最新信息始终可用。

69、在一个优选的实施方案中，依据本发明的方法进一步包括为第二运行阶段提供流出热发生器的流体的目标温度；为第二运行阶段提供流经热发生器的流体的体积流率；为第二运行阶段的启动阶段设置燃烧器装置的调制参数的初始运行值，至少基于所储存的进口温度和所提供的目标温度，并可选择地额外地基于为第二运行阶段提供的体积流率；以及用所设定的调制参数的初始运行值点燃燃烧器装置的燃烧器火焰。

70、通过这种方式，为启动阶段设定了一个点火负荷，它决定了为点燃燃烧器火焰提供的燃料量。点火负荷的选择，一方面要保证燃烧器火焰能可靠点燃，例如不出现火焰断裂，另一方面要避免在点火过程中出现过高的燃料量(燃烧过旺)，以避免形成例如不希望出现的煤烟。理想情况下，点火负荷的选择应使其能够快速启动，并在尽可能短的时间内达到所需的热发生器的稳定运行状态，以便能够在短时间内为流体提供所需的出口温度。

71、在一个优选的实施方案中，依据本发明的方法进一步包括提供燃烧器装置的调制参数的多个预定的初始运行值，其中设置燃烧器装置的调制参数的初始运行值包括从所提供的多个预定的初始运行值中选择用于启动阶段的初始运行值，基于所存储的进口温度以及所提供的目标温度，并可选地额外地基于所提供的用于第二运行阶段的体积流率。

72、通过这种方式，提供了大量预定的点火负荷，从中选择最适合即将到来的启动阶段的点火负荷。预先选择点火负荷特别有利，因为它可以避免在某些情况下出现不利的运行条件。例如，如果有一些运行范围存在更多的不利影响，如振动、烟尘沉积、火焰熄灭等，那么优选的是在这些运行范围内不放置可选择的点火负荷。如果在这样的运行范围内放置一个最佳点火负荷，那么在启动阶段将使用下一个预选的点火负荷，以避免出现上述不利影响。

73、根据本发明的第四个方面，提供了一种用于加热流体的热发生器，至少包括一个用于加热流经热发生器的流体的燃烧器装置，一个布置在热发生器的出口处用于采集流经热发生器的流体的出口温度的测温装置，以及一个被设置为用于控制热发生器并至少与所述测温装置和所述燃烧器装置相联的控制装置。所述的热发生器的控制装置被设置为用于确定流入热发生器进口的流体的进口温度，该进口温度的确定基于提供给控制装置的热发生器的加热功率函数，该函数基于调节燃烧器装置加热功率的调制参数描述了用于加热流体的燃烧器装置的加热功率，所述进口温度的确定还基于提供给控制装置的流经热发生器的体积流率、温度测量装置所采集到的出口温度以及燃烧器装置的调制参数的当前运行值。

74、因此，热发生器被设置为用于执行根据本发明确定进口温度的方法，从而提供了在描述本发明第一方面的过程中已经描述的优点，特别是关于热发生器的优化运行，而不需要使用单独的温度传感器。

75、加热功率函数优选地在控制装置的存储单元中提供。进口温度的确定优选地是在控制装置的评估单元中进行。

76、优选的是，还提供给了控制装置一个热力学热方程，特别是在存储单元中，该方程基于提供给流体的热流率描述了流体的温度变化，其中该控制装置被设置为用于额外地基于所提供的热力学热方程确定进口温度。

77、优选地，在确定进口温度的过程中，控制装置被设置为，在所提供的加热功率函数和所采集到的调制参数的运行值的基础上确定热发生器的燃烧器装置的加热功率；在所确定的加热功率的基础上确定由热发生器提供给流体的热流率；以及在所确定的热流率、所提供的热力学热方程和所提供的体积流率的基础上计算由热发生器引起的流体的温度变化，并在考虑到所采集到的出口温度的情况下确定由此产生的进口温度。

78、优选的是，该热发生器包括一个体积流率传感器，该传感器沿着进口和出口之间的流体路径布置，并与控制装置相关联，以将采集到的流经热发生器的流体的体积流率传送给该控制装置。

79、在一个优选的实施方案中，控制装置进一步被设置为用于基于控制装置所确定的进口温度来控制热发生器。

80、因此，该热发生器也被设置为用于执行根据本发明的控制和启动热发生器的方法，从而提供在描述本发明的第二和第三方面的过程中所描述的优点。

81、优选的是，控制装置在此被设置为用于调整燃烧器装置的调制参数的运行值，该调整基于从热发生器流出的流体的目标温度，该目标温度通过目标温度传送器提供给控制装置；该控制装置在此进一步被设置为用于调整所确定的进口温度。

82、优选地，控制装置包括一个带有pi控制器的控制单元，该控制单元被设置为用于调整燃烧器装置的调制参数的运行值，其中控制装置被设置为用于基于所确定的进口温度调整pi控制器的至少一个控制参数。

83、优选地，控制装置被设置为用于将在热发生器的第一运行阶段确定的进口温度存储在控制装置的存储单元中。这样，确定的进口温度可以在热发生器的启动阶段使用，以便在第一运行阶段之后的第二运行阶段点燃燃烧器装置的燃烧器火焰。

84、优选地，控制装置在此被设置为用于为第二运行阶段的启动阶段设置燃烧器装置的调制参数的初始运行值，该设置至少基于存储在存储单元中的进口温度和提供给控制装置的目标温度，以及可选地额外地基于所提供的或所采集到的第二运行阶段的体积流率；该控制装置还被设置为用于向燃烧器装置发送点火信号，以便基于所设置的调制参数的初始运行值点燃燃烧器火焰。

85、根据本发明的第五方面，提供了一种控制装置，用于根据本发明第四方面的热发生器。

86、通过这种方式，提供了一种改造方案，通过这种方案，可以以简单和低费用的方式用控制装置改造现有的热发生器，以便扩展根据本发明第四方面的热发生器的有利功能。