DE2620230A1

DE2620230A1 - Vorrichtung zum regeln der temperatur eines mediums

Info

Publication number: DE2620230A1
Application number: DE19762620230
Authority: DE
Inventors: Richard Kaeser; Horst Ing Grad Mall
Original assignee: Industrie Werke Karlsruhe Ausburg AG
Current assignee: KUKA AG
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DK200277A; CH622366A5; FR2350641A1; IT1086186B; NL7704960A; GB1583158A

Description

Karlsruhe, P?.*⁰.⁵.* 1976

ZJP/H/Sche.

.INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE AUGSBURG Aktiengesellschaft
Gartenstraße 71
7500 KARLSRUHE 1

Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Mediums

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Mediums, wie Flüssigkeit, Dampf, Gas od.dgl., welche im wesentlichen aus einem Temperaturfühler, einem Stellantrieb und einer Übertemperatursicherung besteht, welche ihrerseits mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt sind und hydraulisch miteinander in Wirkvefbindung stehen, und die Übertemperatursicherung aus einem Druckgefäß mit nachgiebiger Trennwand zwischen AusdehnungsflUssigkeit und einem unter Druck stehenden Gas gebildet ist.

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 Übertemperatursicherung besteht beispielsweise aus einer Stahlfeder, welche mit ihrer Kraft auf die Querschnittsfläche

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eines Verstellschlauches wirkt. Sie gestattet jedoch nur Übertemperaturen in der Größenordnung von etwa 15 - 30⁰C. Ein derartiger Übertemperaturbereich ist unter den derzeit üblichen und insoweit auch erforderlichen Geräte- bzw. Anlagen-Einsatzbedingungen nicht ausreichend. Bei höheren Temperaturen des Heizmediums verringert sieh sogar der Übertemperaturbereich noch, weil der Verstellschlauch neben der Übertemperaturbelastung auch durch die Einstellung auf höhere Sollwerte belastet wird.

Die DT-PS 865 83i hat sich unter Berücksichtigung der den bekannten Thermostatausbildungen anhaftenden Nachteile die Aufgabe gestellt, eine demgegenüber vorteilhaftere Übertemperatursicherung zu schaffen. Die danach vorgeschlagene Übertemperatursicherung ist als Balg-Druckspeicher ausgebildet. Bei dieser Sicherheitseinrichtung vermögen z.B. unter Druck— und / oder Bewegungs-Belastung, Volumenände— rungen im Balg aufzutreten. Diese haben ihre Ursache in der Eigenelastizität der Balgwandungen; die Volumenänderungen vergrößern dabei in unerwünschter Weise die Gesamtelastizi— tat des Thermostaten. Bei Einbau eines derartigen Druckspeicher-Balges in einen Thermostatfühler'wird ersterer bei Temperaturerhöhungen mitaufgehBizt, 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 Metallfederbalg, 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

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des Thermostaten in ebenfalls unerwünschter weise eine Vergrößerung erfährt. Die der genannten Druckschrift zu Grunde 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 Volumenaufnähme 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 iO°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 Übertemperaturvolumens 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

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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 Übertempera tursiclierungen 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 - ^tO⁰C 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 geringen Bauraum beanspruchen und zudem auch kostengünstig und baulich einfach sein.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die nachgiebige Trennwand zwischen Ausdehnungsflüssigkeit und dem unter Druck stehenden Gas aus der Kombination folgender, je für sich allein bekannter Merkmale besteht:

a) Gasdichtigkeit,

b) Metallelastizität,

c) Nichtmetalligkeit und

d) mindestens eine wellenförmige, in den Gasraum des Druckgefäßes hineindrückbare Ausstülpung.

In weiterer Ausgestaltung dieses die vorgeschlagene Erfindung tragenden Gedankens besteht die nachgiebige Trennwand aus einer Kunststoff-Folie.

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Ein anderes Erfindungsmerkmal sieht vor, daß die Ausstülpung im Zentrum der Trennwand eine Abflachung aufweist und in eine ring- und/oder rinnenförmige Vertiefung übergeht, welche mit ihrem Außenumfang zwischen einem Deckel und einem Druckgefäß eingespannt ist.

Abgerundet und vervollkommnet wird die vorgeschlagene Erfindung schließlich auch noch dadurch, daß der den Bereich der Arbeitsflüssigkeit begrenzende Deckel des Druckgefäßes im wesentlichen der geometrischen Form der Trennwand entspricht und diese bei Normalbetrieb an der Innenwandung des Deckels anliegt.

Mit der vorgeschlagenen Erfindung 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 150⁹C oberhalb der am Temperaturfühler jeweils eingestellten Sollwert-Temperatur liegen. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Flüssigkeitsthermostate selbst, als auch damit der Schutz vor Überhitzung der nachfolgenden Anlage entscheidend verbessert. Zugleich läßt sich durch die vorgeschlagene Erfindung 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 kondensatseitiger Regelung u.a.m., läßt sich unter Anwendung der vorgeschlagenen Erfindung nun ebenfalls ein optimaler Anlagenschutz erreichen.

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

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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei zeigt

Fig.i die Form der nachgiebigen Trennwand und

Fig.2 ein Anwendungs- bzw. Einbau-Beispiel für die nachgiebige Trennwand nach Fig. i

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

In Fig. 2 ist in einem Gehäuse 2 eine Sollwert-Reguliereinrichtung 3 sowie ein Druckgefäß k 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» wie etwa Stickstoff, gefüllt. Der das Druckgefäß k verschließende Deckel 6 ist mit einem Gewinde-Nippel 7 in das Gehäuse 3a der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 eingeschraubt. Die Membran 1 ist mit ihrem Außenumfang id zwischen dem Deckel 6 und dem Druckgefäß k gasdicht eingespannt.

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 3h manuell verstellen läßt. Der Zylinder 3h ist einerseits über ein Kapillarrohr 8 mit einem Temperaturfühler 9 und andererseits über ein Kapillarrohr 8a mit einem Ventilstellantrieb iO verbunden. Im Zylinder 3b befindet sich ferner eine Bohrung 3£> durch welche die Flüssigkeit 3c bei auftretendem Überdruck gelangt, um die Außenseite der Membran 1 zu beaufschlagen.

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

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, vergrößert 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. 2 wirkt nun einerseits der Druck des gasförmigen Mediums 5t wie etwa Stickstoff, im Druckgefäß h 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 Volumenzunähme — ohne daß eine Verschiebung des Kolbens 3e der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 erfolgt - durch das Druckgefäß k aufgenommen,

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indem eine der Volumenzunähme entsprechende Lageveränderung 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 3e - in ihre Ausgangslage zurück, wobei die Füllflüssigkeit wieder in das wirksame Hydrauliksystem zurückgespeist wird.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Mediums, wie Flüssigkeit, Dampf, Gas oder dgl., welche im wesentlichen aus einem Temperaturfühler, einem Stellantrieb und einer Übertemperatursicherung besteht, welche ihrerseits mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt sind und hydraulisch miteinander in Wirkverbindung stehen, und die übertemperatursicherung aus einem Druckgefäß mit nachgiebiger Trennwand zwischen Ausdehnungsflüssigkeit und einem unter Druck stehenden Gas gebildet ist. dadurch gekennzeichnet,

daß die nachgiebige Trennwand (Ϊ.) aus der Kombination folgender, je für sich allein bekannter Merkmale besteht:

a) Gasdichtigkeit,

b) Metallelastizität,

c) Nichtmetalligkeit,"

d) mindestens eine wellenförmige, in den Gasraum (5) des Druckgefäßes (k) hineindrückbare Ausstülpung (la).
2. Vorrichtung nach Anspruch i,
dadurch gekennzeichnet,

daß die nachgiebige Trennwand (l) aus einer Kunststoff-Folie besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausstülpung (la) im Zentrum der Trennwand (i) eine Abflachung aufweist und in eine ring- und/oder rinnenförmige Vertiefung (ic) übergeht, welche mit ihrem Außenumfang (id) zwischen einem Deckel (6) und dem Druckgefäß (k) eingespannt ist.

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Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3_S 2620230 dadurch gekennzeichnet,

daß der den Bereich der Arbeitsflüssigkeit (3c) begrenzende Deckel (6) des Druckgefäßes {k) im wesentlichen der geometrischen Form der Trennwand (i) entspricht und diese bei N"ormalbetrieb an der Innenwandung des Deckels (6) anliegt.

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