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Die Erfindung betrifft einen Temperaturregler ohne
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Hilfsenergie für die Regelung heißer Medien mit einem ein Stellglied
betätigenden Thermostaten, dessen Wärmefühler in Abhängigkeit von der Medientemperatur
arbeitet.
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Die heißen Medien können aus beliebigen Stoffen wie Gasen oder Dämpfen
bestehen. Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind jedoch Heizungsanlagen mit
einem dem Feuerungsofen nachgeschalteten Wärmeaustauscher od.dgl. und einer in der
Rauchgasableitung des Ofens angeordneten, verstellwaren Bypassklappe, Umlenkvorrichtung
od.dgl., welche die heißen Rauchgase entweder direkt oder über den Umweg durch den
Wärmeaustauscher in den Schornstein lenkt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nachstehend anhand
des genannten Hauptanwendungsgebietes erläutert. Moderne Raumheizungsanlagen mit
Feststofffeuerung bestehen in der Regel aus zwei Baugruppen mit verschiedenen wärmetechnischen
Funktionen. Die erste - meist Ofen genannt - dient zur Aufnahme der Feuerung und
zur Abgabe eines Teiles der Wärme, welche durch die Feuerung erzeugt wird. Die zweite
- häufig Nachheizkasten genannt - ist ein Wärmeaustauscher, über den die heißen
Rauchgase ihre Wärme an den zu beheizenden Raum abgeben.
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Parallel zum Rauchgasweg durch den Nachheizkasten findet man immer
einen Rauchgasweg, welcher mit einer Bypassklappe (Anheizklappe) versehen ist, die
man öffnen und schließen kann. Der Nachheizkasten kann mit einem Wärmespeicher versehen
sein. Mit Hilfe der Anheizklappe kann man die aus dem Ofen entweichenden Rauchgase
entweder unmittelbar zum Schornstein lenken oder sie über den Nachheizkasten führen.
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Der Rauchgaskanal, welcher durch die Bypassklappe gedrosselt wird,
ist häufig im Nachheizkasten selbst zu finden. Bei neueren Heizanlagen sind der
Nachheizkasten und der Ofen häufig in einem einzigen Gehäuse untergebracht.
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Die Erfindung hat sich nun grundsätzlich die Aufgabe gestellt, die
Verstellung der Bypassklappe zu automatisieren. Zu diesem Zweck wird jeder Rauchgastemperatur
eine bestimmte Bypassklappenstellung zugeordnet. Bei kalten Rauchgasen soll die
Klappe geöffnet sein, bei steigender Temperatur soll sie innerhalb eines Bereiches
allmählich schließen, und oberhalb einer definierten und einstellbaren Rauchgastemperatur
soll die Klappe vollständig geschlossen sein. Diese Aufgabe muß ohne Hilfsenergie
gelöst werden, denn bei sehr vielen Heizanlagen der beschriebenen Art ist die Anwendung
von elektrischen Motoren oder dergleichen unerwünscht.
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Es könnte naheliegend erscheinen, die Aufgabe mit einem üblichen
Temperaturregler ohne Hilfsenergie zu lösen. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres
möglich, denn die Füllmittel der Regler ohne Hilfsenergie bzw. der zugehörigen Wärmefühler,
gleichgültig ob sie etwa nach dem Prinzip der Dampf tension oder der Flüssigkeitsausdehnung
oder der Gasabsorption bzw. des Gasdruckes oder ähnlich arbeiten, werden bei den
hohen Temperaturen von bis 7000C und darüber, welche heiße Rauchgase unter ungünstigen
Umständen, z.B. bei versehentlich geöffneter Anheizklappe oder zu hoher Feuerleistung
oder dergleichen annehmen, chemisch verändert.
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Es ist also erfindungsgemäß die besondere Aufgabe zu lösen, ein Verfahren
bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Temperaturregelung ohne Hilfsenergie
von heißen Medien, insbesondere von Rauchgasen auch dann ohne nachteilige Wirkungen
ermöglichen, wenn die zu regelnde Temperatur der Medien bzw. Rauchgase über der
Stabilitätsgrenze der Füllmittel des Wärmefühlers liegt.
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Grundsätzlich und allgemein besteht die Erfindung darin, daß das
Stellglied bzw. die Bypassklappe von einem Thermostaten verstellbar ist, dessen
Wärmefühler einer in
einem bestimmten Verhältnis zur höheren Medientemperatur
reduzierten Fühlertemperatur ausgesetzt ist. Es soll also der Wärmefühlerbezirk
des Temperaturreglers ohne Hilfsenergie erfindungsgemäß nicht direkt der hohen Temperatur
der Rauchgase oder sonstigen heißen Medien ausgesetzt sein, sondern einer niedrigeren
Temperatur, die aber in einem festen Bezug bzw. bestimmten Verhältnis zu der Temperatur
der Rauchgase bzw. sonstigen Medien steht.
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Es wäre zur Lösung dieser Aufgabe beispielsweise möglich, den betreffenden
Wärmefühler oder Thermostaten in einer Nebenleitung der Hauptableitung der heißen
Medien oder Rauchgase anzuordnen. Die Ubertragung der entsprechend reduzierten Wärme
auf den Wärmefühler des Thermostaten könnte bei einer solchen Anordnung evtl. mit
einer unerwünschten Verzögerung verlaufen. Eine besonders einfache und vorteilhafte
Lösung der in Rede stehenden Aufgabe wird daher gemäß einem Haupterfindungsgedanken
darin erblickt, daß dem Wärmefühler des Thermostaten die zu seiner Stellarbeit notwendige
Energie durch die Wärmestrahlung einer Strahlungsquelle zugeführt wird, deren Temperatur
der zu regelnden Medientemperatur entspricht.
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Vorteilhaft kann die Strahlungsquelle zu diesem Zweck aus einem von
dem heißen Medium oder Rauchgas beheizten Gehäuse bestehen, in welchem der Wärmefühler
des Thermostaten mit einem gewissenlStrahlungsabstand von der inneren Gehäusewand
angeordnet ist. Dieses Strahlungsgehäuse besteht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aus einem Strahlungsrohr, welches den Thermostaten oder jedenfalls
mindestens den Wärmefühler desselben enthält und derart mit dem das heiße Medium
enthaltenden Raum, z.B.
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mit einem Rauchgasrohr, in Verbindung steht, daß mindestens die denWärmefühler
des Thermostaten mit Strahlungsabstand umgebende Rohrwandungszone praktisch die
Temperatur des heißen Mediums annimmt und nach innen abstrahlt.
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Mittels einer Luftkühlung, deren Kühlleistung von der Temperatur
des heißen Mediums bzw. Rauchgases abhängt, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
dafür gesorgt werden,daß ein Teil der eingestrahlten Energie abgeführt wird, so
daß die Wärmefühlertemperatur die gewünschten Grenzen nicht überschreitet. Ein solches
Strahlungs- und Kühlrohr soll erfindungsgemäß mit seinem unteren, offenen Ende etwa
bis in die Fußbodennähe des beheizten Gebäuderaumes
reichen. Weitere
vorteilhafte Erfindungsmerkmale sind in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaul icht.
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Fig. 1 zeigt schematisch im senkrechten Längsschnitt eine Heizungsanlage
mit Feuerungsofen und Wärmeaustauscher sowie Strahlungs- und Kühl rohr des Temperaturreglers,
und Fig. 2 zeigt für sich herausgezeichnet die Anordnung des Thermostaten und dessen
Kraftübertragungsmittel.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein Ofen bezeichnet, in dem z.B. ein Feststofffeuer
brennt. über ein Rauchrohr 2 werden die Rauchgase zu einem Nachheizkasten 3 geführt.
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Darin ist eine Bypassklappe 4 vorgesehen, welche in der gezeichneten
Stellung die Rauchgase unmittelbar über einen Rauchrohrabschnitt 5 zum Schornsteineintritt
10 führt. über den Schornstein verlassen die Rauchgase das Haus.
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Die Klappe 4 kann mit Hilfe einer Koppel 6 von einem Hebel 7 geschlossen
und geöffnet werden. Der Hebel 7 wird durch einen mit einem Wärmefühler arbeitenden
Thermostaten 8 betätigt, welcher erfindungsgemäß innerhalb eines Strahlungs- und
Kühlrohres 9 angeordnet ist. Einzelheiten dieser Anordnung sind in der vergrößerten
Schnittzeichnung der Fig. 2 dargestellt.
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Das Strahlungs- und Kühlrohr 9 durchzieht erfindungsgemäß das Rauchrohr
5. Das Rohr 9 könnte jedoch auch gut wärmeleitend mit dem Rauchrohr 5 verbunden
sein. Es kommt erfindungsgemäß nur darauf an, daß das Rohr 9 in dem Bezirk, wo der
Thermostat angebracht ist, möglichst die Rauchgastemperatur annimmt. Bei der in
Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung nimmt das Rohr 9 innerhalb des Rauchrohres 5 nahezu
die Rauchgastemperatur an und strahlt die so aufgenommene Energie in sein Zentrum.
Hier ist der Ausdehnungsthermostat 8 angeordnet, der mit seinem unteren Ende in
einem kühleren Bereich des Rohres 9 befestigt ist. Der obere Teil des Thermostaten
8 ist aus dem Strahlungs- und Kühlrohr 9 herausgeführt und wirkt auf den Hebel 7.
Durch Drehen eines Sollwertstellers 11 kann man die Zuordnung der Stellung der Klappe
4 zur Temperatur des Thermostaten 8 verändern. Zwischen dem Thermostaten 8 und dem
Strahlungs- und Kühlrohr 9 kann
sich erfindungsgemäß Kühlluft bewegen.
Je geringer der Abstand zwischen dem Thermostaten 8 und dem Rohr 9 ist, umso höher
wird die Temperatur des Thermostaten sein und umgekehrt. Das unten offene Strahlungs-
und Kühlrohr 9 bezieht die Kühlluft vorzugsweise aus einer Zone kurz über dem Fußboden
des Heizungsraumes, weil dort die Lufttemperaturen in der Regel konstanter sind
als in anderen Höhen. Es kann erfindungsgemäß zweckmäßig sein, das Strahlungs- und
Kühlrohr 9 ganz oder teilweise zu isolieren, damit wechselnde Umgebungstemperaturen
um das Rohr 9 den Kühlluftstrom möglichst nicht beeinflussen. Die Mindestlänge des
Strahlungs- und Kühlrohres 9 richtet sich nach der Länge des Thermostaten; zweckmäßig
ist das Rohr 9 mindestens dreimal länger als der Thermostat 8. Aus Fig. 2 geht weiterhin
hervor, daß der obere Teil des Strahlungs-und Kühlrohres 9 mit einer Platine 12
versehen ist, auf welcher ein Drehlager 13 befestigt ist, inwelchem der Hebel 7
drehbar gelagert ist.
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Durch Drehen des Sollwertstellers 11 kann diejenige Temperatur eingestellt
werden, ab welcher der Thermostat 8 den Hebel 7 und damit die Klappe 4 zu drehen
beginnt. Oberhalb eines bestimmten Ausschlages des Thermostaten 8 ist die
Klappe
4 in die in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Stellung gegangen. In dieser Stellung
werden die durch das Rohr 2 in den Nachheizkasten 3 eintretenden heißen Rauchgase
über die Wärmeaustauschflächen auf der in Fig. 1 linken Seite des Kastens 3 nach
unten und auf der in Fig. 1 rechten Seite nach oben und anschließend über den Rohrabschnitt
5 in den Schornsteineintritt 10 eingeleitet. Über den Nachheizkasten 3 geben die
Rauchgase Wärme an den zu beheizenden Raum ab.
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Um jeder Rauchgastemperatur eine möglichst konstante Wärmestrahlung
von dem Rohr 9 auf den Thermostaten 8 zuzuordnen, ist es erfindungsgemäß zweckmäßig,
die beiden gegenüberliegenden Oberflächen dieser Teile zu schwärzen. Auf diese Weise
wird die übertragene Wärmestrahlungsenergie relativ unabhängig davon, ob diese Oberflächen
ihre Strahlungs- und Absorptionseigenschaften durch Ablagerungen, Staub oder dergleichen
verändern. Eine Politur der inneren Rohroberfläche hätte zwar eine Vergröpßerung
der übertragenen Energie zur Folge, die Energiemenge, welche für die Temperatur
des Thermostaten 8 maßgebend ist, würde sich jedoch wegen der Staub-und Schmutzablagerungen
prozentual stärker ändern als bei beiderseitigem Schwärzen der Oberflächen der Teile
8 und 9.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung ist folgende:
Nachdem im Ofen 1 ein Feuer entzündet wurde und die Rauchgase dieses Feuers sich
zum Schornstein hin bewegen, beginnen die Wände, welche den Rauchgasstrom umgeben,
sich zu erwärmen. Solange die Wandtemperatur des Rauchgasweges geringer ist als
der Rauchgastaupunkt, werden die Rauchgase kondensieren.
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Die Kondensationszone wird zunächst also im Ofen 1 zu finden sein.
Steigt die Temperatur der rauchgasumschließenden Wände, verschiebt sich die Kondensationszone
über die Hohlräume 2, 3 und 5 bis in den Schornsteineintritt 10 und steigt mit der
Erwärmung des Schornsteines allmählich bis zur Schornsteinkrone hoch. Wenn die Kondensationszone
den oberen Schornsteinrand erreicht, soll die Klappe 4 geschlossen sein. Ist die
Schornsteintemperatur so gering, daß die Kondensationszone immer unterhalb der Schornsteinkrone
liegt, dann kann es zu Durchfeuchtungen des Mauerwerkes kommen, oder im Falle von
Tonrohr- oder Metallrohrschornsteinen dazu, daß die Kondensationsprodukte den Schornstein
entlang nach unten fließen und dort ins Freie treten.
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Dieser Zustand der Kondensation innerhalb des Schornsteines soll
vermieden werden. Die Temperatur der Rauchgaswände an der Schornsteinkrone muß also
über dem Taupunkt liegen. Andererseits sollen aber die Rauchgastemperaturen am Schornsteinkopf
auch nicht höher werden, denn sonst würde mit den Rauchgasen unnütz Energie in die
freie Atmosphäre transportiert werden. Der Schornstein hat gerade dann die richtige
Temperatur, wenn einerseits die Kondensationsgrenze nahe dem Schornsteinrand liegt
und wenn andererseits im Schornstein ausreichend Zug herrscht, um die Verbrennungsprodukte
des Ofens in die Atmosphäre abzuführen.
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Je nach der Schornsteinsituation wird dieser richtigen Rauchgastemperatur
eine bestimmte Temperatur des Rauchgases im Rauchrohrabschnitt 5 zugeordnet sein.
Durch den Thermostaten 8 kann diese Temperatur dadurch konstant gehalten werden,
daß die Rauchgase im Nachheizkasten 3 durch Wärmeabgabe an den umgebenden Raum oder
einem umgebenden Wärmespeicher gerade so abgekühlt werden, daß im Rohrabschnitt
5 die richtige Temperatur herrscht.
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Mit der vom Nachheizkasten 3 abgegebenen oder in demselben gespeicherten
Energie wird der umgebende Raum unmittelbar oder nach einer gewissen Zeit beheizt.
Diese Energie
hängt von der Stellung der Klappe 4 ab. Unabhängig
von dieser Klappe sind die Energien, welche vom Ofen 1 und vom Rauchrohrabschnitt
2 unmittelbar der Umgebung zugeführt werden.
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Die richtige Schornsteineintrittstemperatur hängt unter anderem von
Höhe und Querschnitt des Schornsteins ab oder auch davon, ob an det Schornstein
noch andere Brennstätten angeschlossen sind, und dergleichen. Es ist daher notwendig,
bei der Einstellung des Thermostaten 8 den Schornstein darauf zu vermessen, daß
er einerseits nicht versottet und andererseits nicht unnütz Energie in die freie
Atmosphäre abgeführt.
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Ungünstige Umstände, z.B. ein Hängenbleiben der Klappe 4 oder ein
falsch dimensionierter Ofen 1, können dazu führen, daß der Rohrabschnitt 5 von sehr
heißen Rauchgasen durchströmt wird, und man muß dafür sorgen, daß dadurch der Thermostat
8 nicht zerstört wird.
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Wie bereits beschrieben, wird das Problem dadurch gelöst, daß der
Thermostat 8 nicht in unmittelbarer Verbindung mit dem Rauchrohr 5 steht, sondern
daß er durch Wärmestrahlung von dem Strahlungs- und Kühlrohr 9 her erwärmt wird.
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Diese Energieübertragung vom Rohr 9 zum Thermostaten 8 vollzieht sich
mit Lichtgeschwindigkeit. Darum wird bei hinreichend dünnem Rohr 9 die zur Erwärmung
des Thermostaten 8 notwendige Energie außerordentlich schnell übertragen, jedenfalls
viel schneller als durch einfache Wärmeleitung. Stellt man sich vor, daß die Temperatur
im Rohrabschnitt 5 von der Temperatur des umgebenden Raumes auf einen höheren Wert
springt, dann wird sich die dünne Wand des Rohres 9 mit geringer Verzögerung ebenfalls
erhitzen und praktisch im gleichen Moment Wärmeenergie auf die Oberfläche des Thermostaten
8 übertragen.
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Der Thermostat 8 reagiert also nahezu ebenso schnell auf Temperaturänderungen
im Rohrabschnitt 5, als wenn er unmittelbar denRauchgasen ausgesetzt wäre.
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Wegen der aufgenommenen Strahlungsenergie erwärmt sich der Thermostat
8 und damit auch der Spalt zwischen den Teilen 8 und 9, der etwa 5 bis 20 mm groß
sein kann. Da nunmehr die Luft innerhalb des Rohres 9 leichter ist als außerhalb
des Rohres, kommt es zur Ausbildung eines Luftstromes, welcher den Thermostaten
8 kühlt. Die Geschwindigkeit dieses Luftstromes, und damit die Kühlleistung, hängt
von der Temperatur des Spaltes zwischen den Teilen 8 und 9
und
dessen Größe ab. Je höher diese Temperatur ist, desto höher wird der Auftrieb innerhalb
des Rohres 9, und desto mehr Energie wird abgeführt.
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Durch richtige Dimensionierung des Spaltes zwischen den Teilen 8
und 9 kann dafür gesorgt werden, daß jeder Rauchgastemperatur eine niedrigere Fühlertemperatur
reproduzierbar zugeordnet ist, und daß auch bei hohen Temperaturen im Rauchrohrabschnitt
5 der Thermostat 8 nicht überlastet wird, obgleich er Temperaturänderungen im Rohrabschnitt
5 sehr schnell folgt.
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Die Unterbringung des Thermostaten 8 in dem beschriebenen Kühl- und
Strahlungsrohr 9 bewirkt also erfindungsgemäß eine Untersetzung des Temperatursignales.
Einer Anderung von z.B. 7000C des Rauchgases ist eine Anderung von z.B. nur 2000C
des Themostaten zugeordnet. Die proportionale Reduzierung der hohen Medientemperatur
auf die niedrigere Fühlertemperatur kann auch erfindungsgemäß auf andere Weise bewirkt
werden.
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Ahnlich wie die anfangs beschriebenen Raumheizanlagen mit Feststof/feuerung
sind auch Warmwasserheizanlagen möglich,
welche aus einem normalen
Warmwasserkessel und einem nachgeschalteten Warmwasserwärmeaustauscher bestehen.
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Die im Kessel erzeugten Rauchgase können mit Hilfe einer Bypassklappe
analog zu der beschriebenen Luftheizung bei niedriger Temperatur unmittelbar zum
Schornstein geführt werden und bei hoher Temperatur über den Abgaswärmeaustauscher
auf einen vorgesehenen Wert abgekühlt werden. Mit dem Wärmeaustauscher kann z.B.
Brauchwasser erzeugt oder das Heizwasser vorgewärmt werden, oder dergleichen.
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Der vorstehend beschriebene Erfindungsgedanke kann im übrigen auch
auf die Regelung anderer heißer Medien angewendet werden, wenn deren Temperatur
die zulässige Betriebstemperatur des Thermostaten überschreitet.
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