CH622366A5

CH622366A5 - Device for regulating the temperature of a fluid

Info

Publication number: CH622366A5
Application number: CH544077A
Authority: CH
Inventors: Horst Mall; Richard Kaeser
Original assignee: Karlsruhe Augsburg Iweka
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1977-05-02
Publication date: 1981-03-31
Also published as: FR2350641A1; NL7704960A; GB1583158A; DE2620230A1; IT1086186B; DK200277A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Fluides, welche einen Temperaturfühler, einen Stellantrieb und eine Übertemperatursicherung aufweist, wobei der Temperaturfühler und der Stellantrieb mit einer 35 Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt sind und hydraulisch miteinander in Wirkverbindung stehen und wobei die Übertemperatursicherung aus einem Druckgefäss mit nachgiebiger Trennwand zwischen Ausdehnungsflüssigkeit und einem unter Druck stehenden Gas gebildet ist. 40

Übertemperatursicherungen für Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art sind seit langem bekannt. Sie haben die Aufgabe, die zugehörigen Thermostatsysteme beim Auftreten zu hoher Innendrücke vor Zerstörung zu bewahren. Indirekt schützen sie damit auch die zu regelnde Anlage. Eine bekannte 45 Übertemperatursicherung besteht beispielsweise aus einer Stehlfeder, welche mit ihrer Kraft auf die Querschnittsfläche eines Verstellschlauches wirkt. Sie gestattet jedoch nur Übertemperaturen in der Grössenordnung von etwa 15-30° C. Ein derartiger Übertemperaturbereich ist unter den derzeit üblichen 50 und insoweit auch erforderlichen Geräte- bzw. Anlagen-Einsatzbedingungen nicht ausreichend. Bei höheren Temperaturen des Heizmediums verringert sich sogar der Übertemperaturbereich noch, weil der Verstellschlauch neben der Übertempera-turbelastung auch durch die Einstellung auf höhere Sollwerte 55 belastet wird.

Die DT-PS 865 831 hat sich unter Berücksichtigung der den bekannten Thermostatausbildungen anhaftenden Nachteile die Aufgabe gestellt, eine demgegenüber vorteilhaftere Übertemperatursicherung zu schaffen. Die danach vorgeschlagene Über- w temperatursicherung ist als Balg-Druckspeicher ausgebildet. Bei dieser Sicherheitseinrichtung vermögen z.B. unter Druck-und/oder Bewegungs-Belastung Volumenänderungen im Balg aufzutreten. Diese haben ihre Ursache in der Eigenelastizität der Balgwandungen ; die Volumenänderungen vergrössern .0 dabei in unerwünschter Weise die Gesamtelastizität des Thermostaten. Bei Einbau eines derartigen Druckspeicher-Balges in einen Thermostatfühler wird ersterer bei Temperaturerhöhungen mitaufgeheizt, wodurch sich infolge der Erhöhung des Gasdruckes eine weitere unerwünschte Volumenänderung ergibt. Da die vorgeschlagene Übertemperatursicherung, nicht zuletzt wegen ihres beschränkten Bauvolumens, nur einen unwesentlich grösseren Übertemperaturbereich - etwa 20-40° C—zu erreichen vermag, kann sie der erwähnten Aufgabenstellung nicht gerecht werden.

Die sich auf die Ausbildung eines Thermostaten beziehende DT-PS 1 233 644 geht von der Erkenntnis aus, dass ein Metall-federbald, welcher einerseits von Druckgas und andererseits vom Ausdehnungsmittel beaufschlagt wird, die nicht wünschenswerte Eigenschaft der Volumenänderung hat, wenn sich der Differenzdruck zwischen Aussen- und Innenseite des Metallfederbalges ändert, wodurch letztlich die Gesamt-Elastizität des Thermostaten in ebenfalls unerwünschter Weise eine Ver-grösserung erfährt. Die der genannten Druckschrift zugrunde liegende Erfindungsaufgabe bezweckt demgemäss, derartige Nachteile zu beseitigen und ausserdem das Sicherheitsorgan zu vereinfachen. Die Erfindung nach dieser Patentschrift besteht deshalb folgerichtig darin, dass die zwischen dem Ausdehnungsmittel und dem Druckgas vorgesehene nachgiebige Trennwand durch eine Flachmembran, vorzugsweise Metallmembran, einer flachen Membrandose verkörpert ist, die im Inneren des Druckgasbehälters angeordnet und durch einen Kanal oder eine Leitung mit dem Inneren des Ausdehnungsmittel-Behälters verbunden ist, und dass die Flachmembran im zulässigen Arbeitsdruckbereich des Ausdehnungsmittels an der gegenüberliegenden Wand der Membrandose anliegt.

Die Aufgabenstellung für diesen Vorschlag ist von hier weniger interessierendem Belang, da das Hauptaugenmerk auf das Problem der Elastizität des Thermostaten gerichtet ist, jedoch ist der Übertemperaturbereich auch bei dieser Lösung klein.

Die dem Vorschlag zufolge vorgesehene Flachmembran erlaubt durch ihre Formgebung nur eine relativ geringe Volumenaufnahme bei vertretbaren Abmessungen. Die Volumenaufnahme entspricht auch in diesem Falle nur relativ geringen Übertemperaturen. So erlaubt eine nach dem Vorschlag hergestellte Flachmembran bei einem baulich vertretbaren Durchmesser von ca. 50 mm lediglich eine Übertemperatur von etwa 10° C. Bei geringfügig grösseren aufzunehmenden Volumen wird die Fliessgrenze des Membran-Werkstoffes überschritten, die Membran mithin einer bleibenden Formveränderung unterworfen, was schliesslich zu deren Unbrauchbarkeit führt.

Dieser Membran-Druckspeicher hat im übrigen auch den Nachteil, dass der zum Erzielen eines ausreichenden Übertem-peraturvolumens notwendige Membran-Durchmesser zu unvertretbar grossen Bauvolumen führt; die unabdingbare Druckfestigkeit des Membran-Gehäuses erhöht den baulichen Aufwand weiter. Auch wird bei Überdehnung derartiger Membranen, welche bei den relativ geringen zulässigen Übertemperaturen praktisch unvermeidbar sind, ein zusätzliches Volumen erzeugt. Hierdurch wird der Sollwert in Richtung auf höhere Werte verschoben. Es liegt demgemäss auf der Hand, dass derartige Übertemperatursicherungen für den praktischen Anwendungsfall, insbesondere bei höheren Heizmitteltemperaturen, unbrauchbar sind.

Angesichts der im Vorstehenden beschriebenen Mängel und Nachteile bei den teils bekannten und teils vorgeschlagenen Thermostaten, bei denen die zulässigen Übertemperaturen in der Regel nicht höher als 20—40° C sind, hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Thermostaten ohne Hilfskraft zu schaffen, welcher, gemessen an den bekannten bzw. vorgeschlagenen Thermostat-Systemen, die Aufnahme wesentlich höherer Übertemperaturen ohne jegliche Beeinträchtigung der Betriebssicherheit und Lebensdauer gewährleistet. Die Übertemperatursicherung soll dabei einen vergleichsweise ge

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ringen Bauraum beanspruchen und zudem auch kostengünstig und baulich einfach sein.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass die im Druckgefäss eingesetzte Trennwand aus einer auf Biegung beanspruchten Membran aus einer gasdichten Kunststof- < folie besteht, die mit einer in den Gasraum des Druckgefässes hineindrückbaren, wellenförmig profilierten Ausstülpung versehen ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die in der Trennwand angebrachte Ausstülpung zum Zentrum der Trennwand hin in m eine ringförmige Vertiefung übergeht, und dass die Trennwand mit ihrem Rande zwischen Druckgefäss und einem Deckel gasdicht eingespannt ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der am Druckgefäss angebrachte Deckel, welcher den Bereich der in einer Sollwert- i -Reguliereinrichtung untergebrachten Ausdehnungsflüssigkeit begrenzt, im wesentlichen der geometrischen Form der eingesetzten, nachgiebigen Trennwand entspricht, welche bei Normalbetrieb an der Innenwandung des Deckels anliegt.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungs- 20 beispiel dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Temperatur-Regler mit einer in einem Gehäuse angeordneten Sollwert-Reguliereinrichtung sowie einem Druckgefäss, und

Fig. 2 eine im Druckgefäss eingesetzte Trennwand.

In Fig. 1 ist in einem Gehäuse 2 eine Sollwert-Regulierein-richtung 3 sowie ein Druckgefäss 4 angeordnet. Das Innere dieses Gefässes, in welchem sich eine als nachgiebige Trennwand 1 ausgebildete Membran befindet, ist mit einem unter bestimmten statischen Druck stehenden gasförmigen Medium 5,30 wie etwa Stickstoff, gefüllt. Der das Druckgefäss 4 verschlies-sende Deckel 6 ist mit einem Gewinde-Nippel 7 in das Gehäuse 3 a der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 eingeschraubt. Die Membran 1 ist mit ihrem Aussenumfang ld zwischen dem Deckel 6 und dem Druckgefäss 4 gasdicht eingespannt. 35

In der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 sind ein Zylinder 3b sowie ein beim Einstellen des Sollwertes auf die Flüssigkeit 3c wirkender Kolben 3e angeordnet, welcher sich mittels der Einstellhandhabe 3d manuell verstellen lässt. Der Zylinder 3b ist einerseits über ein Kapillarrohr 8 mit einem Temperaturfühler 9 40 und andererseits über ein Kapillarrohr 8a mit einem Ventilstellantrieb 10 verbunden. Im Zylinder 3b befindet sich ferner eine Bohrung 3f, durch welche die Flüssigkeit 3c bei auftretendem Überdruck gelangt, um die Aussenseite der Membran 1 zu beaufschlagen. 45

Die in Fig. 2 dargestellte, aus einer praktisch gasundurchlässigen Kunststoff-Folie bestehende und als nachgiebige Trennwand 1 ausgebildete Membran weist mindestens eine wellenförmige Ausstülpung la auf, welche nach Übergang zum Zentrum 1 b hin dort mit einer konzentrisch verlaufenden ring- und/oder 50 rinnenförmigen Vertiefung lc versehen ist.

Dem Flüssigkeits-Thermostaten nach Fig. 1 mit der nachgiebigen Trennwand nach Fig. 2 liegt folgende Arbeitsweise zu Grunde:

55

Die im Temperaturfühler 9 befindliche Flüssigkeit dehnt sich mit dessen Erwärmung aus. Sie gelangt durch das Kapillarrohr 8a in den Ventil-Stellantrieb 10. In diesem bewegt sie infolge der bei Erwärmung erzielten Ausdehnung die Ventilstange 10a und drosselt bzw. schliesst gänzlich ein - nicht dargestelltes - Ventil. Kühlt der Temperaturfühler 9 und damit auch die in diesem befindliche Fühlerflüssigkeit ab, öffnet über die Ventilstange 10a das - nicht dargestellte - Ventil wieder.

Das Einstellen des Sollwertes auf die gewünschte Temperatur erfolgt durch einmaliges axiales Verstellen des Kolbens 3e mittels der Einstellhandhabe 3d. Wird diese verdreht, vergrös-sert sich, beispielsweise durch Verschieben des Kolbens 3e das Volumen des Zylinders 3b, so dass vom Ventilstellantrieb 10 aus mehr Flüssigkeit in den Zylinder gelangen kann und somit das angeschlossene Ventil öffnet. Der der Flüssigkeit innewohnende Druck wirkt zugleich über die Bohrung 3f auf die Aussenseite der Membrane 1, welche dabei infolge des Druckes des gasförmigen Mediums 5 in ihrer Ausgangsstellung verbleibt. Beim Drehen der Einstellhandhabe 3d in nunmehr umgekehrter Richtung wird der Sollwert dementsprechend auf eine niedrigere Temperatur eingestellt.

Bei dem Flüssigkeits-Thermostaten nach Fig. 1 wirkt nun einerseits der Druck des gasförmigen Mediums 5, wie etwa Stickstoff, im Druckgefäss 4 und andererseits der Druck der Fühlerflüssigkeit des Temperaturfühlers 9. Wird nun trotz geschlossenem Ventil vom Temperaturfühler 9 ein weiteres Ansteigen der über den Sollwert eingestellten Temperatur registriert, so dass eine Übertemperatur am Temperaturfühler entsteht, wird dessen damit verbundene Volumenzunahme - ohne dass eine Verschiebung des Kolbens 3e der Sollwert-Regulier-einrichtung 3 erfolgt - durch das Druckgefäss 4 aufgenommen, indem eine der Volumenzunahme entsprechende Lagever-änderung der Membran 1 erfolgt. Auf diese Weise wird ein unzulässiges Ansteigen des Innendruckes im Hydrauliksystem mit Sicherheit verhindert. Beim Nachlassen der durch den Temperaturfühler 9 registrierten Übertemperatur geht die Membran 1 - wiederum ohne jegliche Lageveränderung des Kolbens Sein ihre Ausgangslage zurück, wobei die Füllflüssigkeit wieder in das wirksame Hydrauliksystem zurückgespeist wird.

Diese Vorrichtung eignet sich für Medien wie Flüssigkeit, Dampf, Gas oder dgl.

Mit der beschriebenen Vorrichtung geht eine Reihe von Vorteilen einher, deren wichtigster darin zu sehen ist, dass die Übertemperatursicherung mit der aus einer Kunststoff-Folie bestehenden, nachgiebigen Trennwand hydraulisch Übertemperaturen aufnehmen kann, welche etwa bis zu 150° C oberhalb der am Temperaturfühler jeweils eingestellten Sollwert-Temperatur liegen. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Flüssig-keitsthermostate selbst, als auch damit der Schutz vor Überhit-zung der nachfolgenden Anlage entscheidend verbessert. Zugleich lässt sich dadurch die Anwendungsbreite dieser Geräte auch auf Anlagen mit sehr hohen Heizmitteltemperaturen ausdehnen. Bei Regelstrecken, welche nur kleine Zeitkonstanten aufweisen, so etwa Durchlauferhitzer mit grosser Heizflächendichte, stehende Dampf-Wärmeaustauscher mit kondensatseiti-ger Regelung u. a. m., lässt sich unter Anwendung der erläuterten Vorrichtung nun ebenfalls ein optimaler Anlagenschutz erreichen.

Aufgrund einfachen Aufbaus und geringen Bauvolumens ist die vorgeschlagene Lösung zudem auch weitaus preiswerter als die bekannten Lösungen.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

622 366 PATENTANSPRÜCHE

(1) zwischen Ausdehnungsflüssigkeit (3c) und einem unter Druck stehenden Gas (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, i u dass die im Druckgefäss (4) eingesetzte Trennwand (1) aus einer auf Biegung beanspruchten Membran aus einer gasdichten Kunststoffolie besteht, die mit einer in den Gasraum (5) des Druckgefässes (4) hineindrückbaren, wellenförmig profilierten Ausstülpung (la) versehen ist. 15

1. Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Fluides, welche einen Temperaturfühler (9), einen Stellantrieb (10) und eine Übertemperatursicherung (1,4) aufweist, wobei der Temperaturfühler (9) und der Stellantrieb (10) mit einer Ausdeh- ? nungsflüssigkeit (3c) gefüllt sind und hydraulisch miteinander in Wirkverbindung stehen und wobei die Übertemperatursicherung aus einem Druckgefäss (4) mit nachgiebiger Trennwand
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die in der Trennwand (1) angebrachte Ausstülpung (la) zum Zentrum (lb) der Trennwand hin in eine ringförmige Vertiefung (lc) übergeht, und dass die Trennwand (1) mit ihrem Rande (ld) zwischen Durckgefäss (4) und einem Deckel 20 (6) gasdicht eingespannt ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der am Druckgefäss (4) angebrachte Dek-kel (6), welcher den Bereich der in einer Sollwert-Regulierein-richtung (3) untergebrachten Ausdehnungsflüssigkeit (3c) be- 25 grenzt, im wesentlichen der geometrischen Form der eingesetzten, nachgiebigen Trennwand (1) entspricht, welche bei Normalbetrieb an der Innenwandung des Deckels (6) anliegt.