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Temperaturregelvorrichtung für Sammelheizungsanlagen Die Erfindung
betrifft eine selbsttätige, thermostatische Temperaturregelvorrichtung für den Wärmeträger
von Sammelheizungsanlagen in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur und einer zweiten,
z. B. der Außentemperatur, sowie mit einer von der zweiten Temperatur gesteuerten,
elektrischen Hilfsheizvorrichtung des Vorlauftemperaturwärmefühlers.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art sind zwei Bimetallspiralen
mechanisch hintereinandergeschaltet, von denen die eine von der Wassertemperatur
und die andere von einem elektrischen Heizelement beheizt wird. Hierbei summieren
sich die Temperatureinflüsse. Es ist schwierig, den Einfluß der beiden Wärmequellen
jeweils nur auf die zugehörige Bimetallspirale zu richten. Will man zusätzlich eine
Rückführung vorsehen, benötigt man eine Anzahl weiterer Bauteile.
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Bei anderen Temperaturregelvorrichtungen dieser Art werden Vorlauftemperatur
und Außentemperatur getrennt voneinander gemessen und in eine elektrische Vergleichsvorrichtung
eingeführt; die einen aufwendigen Aufbau, z. B. mehrere elektrische Brükkenschaltungen,
aufweist.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den Aufbau
einer solchen Temperaturregelvorrichtung wesentlich zu vereinfachen und dabei übersichtlich
und kaum störanfällig zu gestalten.
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Diese Aufgabe ist bei einer Temperaturregelvorrichtung der eingangs
angeführten Gattung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Vorlauftemperaturwärmefühler
über eine in ihren thermischen Kenngrößen, z. B. in der Masse und im Wärmewiderstand,
angepaßte Wärmebrücke mit der Vorlaufleitung verbunden ist und die elektrische Hilfsheizvorrichtung
des Vorlauftemperaturwärmefühlers auf einer höheren Temperatur als die Vorlauftemperatur
gehalten wird.
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Hiernach wird einem einzigen Fühler in Abhängigkeit von der einen
Temperatur Wärme zugeführt, von dem aber in Abhängigkeit von der anderen Temperatur
Wärme abgeführt wird, so daß die Regelung in Abhängigkeit von der Wärmedifferenz
erfolgt. Trotz eines einzigen Fühlers kann die Abhängigkeit von beiden Temperaturen
gewahrt werden. Der Vergleich der beiden Temperaturen vollzieht sich in diesem einen
Fühler. Mit Hilfe der Wärmebrücke ist die Zeitverzögerung der Rückführung festlegbar,
und zwar im wesentlichen infolge der Wärmespeicherung durch die Masse der Wärmebrücke.
Des weiteren wird durch den Wärmewiderstand der Wärmebrücke die Steuerleistung festgelegt.
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Es sind zwar Verdampferthermostaten bei Kälteanlagen bekannt, die
zusätzlich durch ein Heizelement beheizt werden. Hier ist es selbstverständlich,
daß der Verdampfer wegen seiner tiefen Temperatur durch Wärmeentzug auf den Fühler
einwirkt. Diese Maßnahme läßt sich daher nicht mit der Erfindung vergleichen, bei
der der zu überwachende Wärmeträger heiß ist und trotzdem Wärme vom Fühler abführen
soll.
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Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, daß sowohl die Masse
als auch der thermische Widerstand der Wärmebrücke einstellbar zu machen ist, so
daß hierdurch eine einfache Anpassungsmöglichkeit an die Kenngrößen des zu beheizenden
Gebäudes gegeben ist.
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Außerdem können durch die Erfindung eine Reihe von Bauteilen, die
bisher je für sich zusammenzufassen waren, zu einer einfachen und leicht überschaubaren
Einheit zusammengebaut werden, so daß eine gute Betriebssicherheit gewährleistet
und der Einfluß von Störungen weitgehend ausgeschaltet ist.
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Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn bei Verwendung
einer an sich bekannten Kapillarrohrverbindung zwischen dem Vorlauftemperaturwärmefühler
und dem .Stellglied der Heizungsanlage der vom Wärmefühler abgehende Teil des Kapillarrohres
als Wärmebrücke dient und an der Vorlaufleitung außen anliegt. Hierbei können normale
thermostatisch gesteuerte Ventile verwendet werden, bei denen lediglich dafür gesorgt
werden muß, daß Fühler und Kapillarrohr in erfindungsgemäßer Weise von den beiden
Temperaturen beeinflußt werden und daß Masse und Wärmewiderstand
des
Kapillarrohrteiles den obengenannten Forderungen entsprechen.
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In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn der aus Vorlauftemperaturwärmefühler,
Kapillarrohr und Stellglied der Heizungsanlage bestehende Teil der Temperaturregelvorrichtung
mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung zum übertragen des Regelstoßes versehen ist.
Auf diese Weise ist sichergestellt, daß nicht diese Füllung selbst an einer Wärmeübertragung
teilnimmt oder an einer anderen Stelle als im Fühler eine störende Temperaturbeeinflussung
erleidet. Unter gewissen Umständen, beispielsweise wenn eine Überregelung erforderlich
sein sollte, kann eine vollständige Flüssigkeitsfüllung von Vorteil sein, bei der
eine Temperaturbeeinflussung der Flüssigkeit nicht nur im Fühler, sondern auch in
der Wärmeübergangsstelle am freien Ende der Brücke erfolgt, so daß eine kurze Regelzeit
trotz großer Eigenzeit des Übertragungsteiles erreicht wird.
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Üblicherweise wird der Vorlauftemperaturfühler durch die Hilfsheizvorrichtung
in Abhängigkeit von der Außentemperatur und über das freie Ende der Wärmebrücke
in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur beeinflußt. Es sind jedoch auch andere
Verwendungsarten möglich. Beispielsweise kann man zwei oder mehr Kenngrößen bei
einer Heizungsanlage, z. B. Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur, Kesseltemperatur,
Wärmebedarf, Innenraumtemperatur, Außentemperatur usw., auf diese Weise miteinander
vergleichen und zum Steuern ausnutzen.
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Der Vorlauftemperaturwärmefühler kann unmittelbar eine Heizwicklung
tragen, über die der Einfiuß der zweiten Temperatur, z. B. der Außentemperatur,
zugeführt wird. Das freie Ende der Wärmebrücke kann dann mit der Vorlaufleitung
in wärmeleitender Verbindung stehen. Falls man das Kapillarrohr als Wärmebrücke
benutzt, kann die wärmeleitende Verbindung dadurch hergestellt werden, daß das Kapillarrohr
über einen Abschnitt auf der Vorlaufleitung aufliegt.
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Um störende Einflüsse der Raumtemperatur auszuschalten, empfiehlt
es sich, daß der Vorlauftemperaturwärmefühler und die Wärmebrücke nach außen wärmeabgedämmt
sind. Die dem Fühler zugeführte Wärme muß daher über die Wärmebrücke abwandern,
wobei die gesamte Differenz zwischen zugeführter Wärme und abwandernder Wärme als
Steuerungsenergie zur Verfügung steht, so daß fast keine Verluste auftreten.
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Wenn man dafür sorgt, daß das Stellglied der ; Heizungsanlage (Ventil)
bei einer kleinen Temperaturänderung des Fühlers voll ausgesteuert wird, erreicht
man eine äußerst gute Proportionalität zwischen der der Heizwicklung zugeführten,
von der Außentemperatur abhängigen Leistung und der Vorlauftemperatur.
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Die bisher beschriebenen Zubehörteile ermöglichen in einem einzigen
Gerät die Messung der Vorlauftemperatur, den Vergleich von Vorlauf- und Außentemperatur
sowie die Steuerung der Vorlauf- 6 temperatur. Es ist nur dafür zu sorgen, daß der
Heizwicklung des Fühlers eine der Außentemperatur entsprechende Heizleistung zugeführt
wird.
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Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel soll der elektrische
Hilfsheizwiderstand des Vorlauf- 6 temperaturwärmefühlers mit einem Widerstand mit
negativem Temperaturkoeffizienten in Reihe liegen und am Wärmefühler ein Zusatzheizwiderstand
sowie für beide Heizwiderstände Mittel zum Einstellen der auf den Fühler zu übertragenden
Wärmemenge vorgesehen sein.
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Der Widerstand mit negativem Temperaturkoeffi-5 zienten kann beispielsweise
außerhalb des Gebäudes angeordnet sein. Bei fallender Temperatur steigt sein Widerstand,
und die zugehörige Heizwicklung erhält eine geringere Heizleistung. Mit Hilfe der
Einstellmittel in diesem Kreis kann der Einfluß der Außentemperaturänderung auf
die Heizleistung und damit auf die Änderung der Vorlauftemperatur eingeregelt werden.
Auf diese Weise kann eine Heizungsanlage an die besonderen Gegebenheiten jedes Gebäudes,
insbesondere ob Steinbau oder Holzbau, gute Wärmedämmung oder nicht, angepaßt werden.
Mit den Einstellmitteln im Zusatzheizwicklungskreis läßt sich die jeweils erforderliche
Temperatur, z. B. die höchste Vorlauftemperatur, einregem.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann bei Verwendung nur eines
elektrischen Hilfsheizwiderstandes zu diesem eine Zenerdiode zum Verhindern einer
Überheizung des Widerstandes parallel und zu diesem Stromkreis der Stromkreis mit
dem negativen Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet sein.
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Hierbei ist sichergestellt, daß bei außergewöhnlichen Betriebsbedingungen,
wie Kurzschluß des Außenfühlers, starker Sonnenschein, örtliche Erwärmung am Außentemperaturmesser
u. dgl., die Heizwicklung und damit der Fühler nicht überlastet werden. Außerdem
ergibt sich durch Verwendung einer gemeinsamen Heizwicklung eine zusätzliche Vereinfachung.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung, und
zwar zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung der Regelvorrichtung nach der
Erfindung, F i g. 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der über die Wärmebrücke
fließenden Wärmemenge in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur, F i g. 3 das gleiche
Diagramm mit den Meßwerten eines Ausführungsbeispiels für zwei verschiedene Fühlertemperaturen,
F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter Darstellung, F i
g. 5 die Regelvorrichtung nach der Erfindung zusammen mit einer Heizungsanlage,
F i g. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel für die beiden Fühler-Heizwicklungs-Stromkreise
und F i g. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel für die beiden Fühler-Heizwicklungs-Stromkreise.
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In F i g. 1 beeinflußt der Vorlauftemperaturwärmefühler 1 über die
Kapillarrohrleitung 2 eine Membrandose 3, deren Bewegung auf das Stellglied 4 einer
Heizungsanlage übertragen wird. Der Übertragungsteil mit dem Fühler ist mit einem
Mittel gefüllt, dessen Volumen- oder Druckverhältnisse sich mit der Temperatur tf
am Fühler 1 ändern. Die durch eine solche Temperaturänderung hervorgerufene Steuerbewegung
beeinflußt auf eine hier nicht näher erläuterte, sondern nur durch die Verbindungslinie
5 gekennzeichnete Art und Weise die Temperatur des Körpers 6, beispielsweise die
Vorlauftemperatur t" der Vorlaufleitung. Zwischen dem Körper 6 und dem Fühler 1
befindet sich eine wärmeleitende Brücke 7. Der Fühler wird mit Hilfe des
Heizwiderstandes
8 beheizt. Die hierbei auf den Fühler übertragene Wärmemenge P, kann beispielsweise
eine Funktion der Außentemperatur sein.
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Über die Brücke 7 wandert eine Wärmemenge Pb =k (tf-t") ab.
Bei konstanter Fühlertemperatur t, ist der Wärmefluß Pb eine lineare Funktion der
Vorlauftemperatur t", wie es F i g. 2 zeigt.
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Aber selbst kleine Schwankungen der Fühlertemperatur tf bewirken nur
eine zur vernachlässigende, kleine Änderung dieser Linearität, wie das Diagramm
der F i g. 3 veranschaulicht, in der bei einem Ausführungsbeispiel Messungen für
tf gleich 90° C und tf gleich 95° C durchgeführt wurden.
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Solange die über die Heizwicklung 8 zugeführte Wärmemenge Pt gleich
der abwandernden Wärmemenge Pb ist, herrschen stationäre Verhältnisse. Sobald Pt
überwiegt, staut sich Wärme im Fühler 1 an, was zu einer geringfügigen Temperaturerhöhung
mit entsprechender Stellbewegung der Teile 1 bis 4 führt, d. h., von
der zugeführten Wärmemenge wird eine Energie 4P zur Steuerung abgezweigt. Genau
das Umgekehrte tritt ein, wenn die zugeführte Wärmemenge Pt kleiner ist als die
abwandernde Wärmemenge Pb. Die Regelung ist beendet, sobald ein neuer Gleichgewichtszustand
erreicht ist, d. h. die Temperatur t" infolge der Regelung einen Wert angenommen
hat, bei dem wieder Gleichgewicht zwischen Pt und Pb herrscht. Zu jedem Wert Pt
gehört demnach im Gleichgewichtszustand eine bestimmte Temperatur t". Wenn
P, eine Funktion der Außentemperatur t" ist, ergibt sich damit eine eindeutige Abhängigkeit
zwischen der Außentemperatur t" und der Vorlauftemperatur t".
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Die Masse der Wärmebrücke 7 besitzt ein gewisses Wärmespeichervermögen.
Demzufolge treten Änderungen des Wärmeflusses Pb nicht plötzlich, sondern mit einer
gewissen Zeitverzögerung auf. Diese Verzögerung geht in den Rückführungskreis der
Regelung ein und kann leicht so angepaßt werden, daß unter Berücksichtigung der
Zeitkonstante der gesamten Heizungsanlage beim Regeln kein Pendeln oder Überschwingen
eintritt. Des weiteren ist der Wärmewiderstand der Wärmebrücke 7 für die Größe der
abwandernden Wärmemenge Pb verantwortlich. Durch entsprechende Wahl dieses Wärmewiderstandes
kann eine günstige Steuerleistung eingehalten werden.
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Eine besonders einfache Ausführungsform der Erfindung ist in F i g.
4 veranschaulicht, wo der Vorlauftemperaturwärmefühler 9, der mit der Heizwicklung
10 versehen ist, über sein eigenes Kapillarrohr 11 mit der Vorlaufleitung 12 in
wärmeleitender Verbindung steht. Hierbei dient der an den Fühler 9 anschließende
Abschnitt 13 des Kapillarrohres als Wärmebrücke. Das Kapillarrohr steht über einen
Abschnitt 14 mit der Außenfläche der Vorlaufleitung 12 in wärmeleitender Berührung.
Die gesamte Anordnung, besonders der Fühler 9 -und die Wärmebrücke 13 sind durch
eine Wärmedämmung 15 geschützt.
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über die Heizwicklung 10 zugeführte Wärmemenge kann nicht nach außen
abgestrahlt, sondern nur über die Wärmebrücke 13 abgeführt werden, wobei eine Differenz
zwischen zugeführter und abgeführter Wärmemenge eine Temperaturänderung am Fühler
9 hervorruft. Durch eine Längenänderung der Wärmebrücke 13 kann sowohl die Masse
als auch der Wärmewiderstand der Brücke eingestellt werden. Wenn der Übertragungsteil
der Regelvorrichtung eine Flüssigkeits-Dampf-Füllung aufweist sind zusätzliche Einflüsse
(Wärmetransport zwischen Fühler 9 und Leitung 12 auch über das Füllmittel, Temperaturbeeinflussung
des Füllmittels durch die Wärmebrücke 13 und die Wand der Vorlaufleitung 12) so
gut wie ausgeschlossen, so daß die eingangs geschilderten, klaren Abhängigkeitsverhältnisse
gelten.
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In F i g. 5 ist eine Heizungsanlage veranschaulicht, in der die erfindungsgemäße
Regelvorrichtung verwendet werden kann. Ein Heißwasserkessel 16 fördert mit
Hilfe der Pumpe 17 das Wasser über die Vorlaufleitung 18 durch die schematisch angedeuteten
Heizkörper 19, worauf es über die Rücklaufleitung 20 und die Umwälzpumpe
21 in den Kessel 16 zurückgelangen kann. Mit Hilfe der Kurzschlußleitung 22 zwischen
Vor- und Rücklaufleitung kann ein Teil des Rücklaufwassers über das Dreiwegeventi123
wieder in das Vorlaufwasser eingespeist werden. Das Dreiwegeventil 23 steht über
die Kapillarrohrleitung 24 mit der Fühleranordnung 25 in Verbindung,
die einerseits über die Verbindung 26 von dem Außentemperaturfühler 27 und andererseits
von der Vorlaufleitung 18 beeinflußt wird. Die Heizungsanlage besitzt außerdem noch
ein übliches Ausdehnungsgefäß 28 sowie einen Heißwasserspeicher 29 für Brauchwasser.
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In Abhängigkeit von der Temperatur tf regelt der Fühler
25 das thermostatische Dreiwegeventil 23.
Die Temperatur t" in der
Vorlaufleitung 18 hängt davon ab, wieviel heißes Kesselwasser und wieviel kälteres
Rücklaufwasser über das Ventil 23 in die Vorlaufleitung 18 eingespeist werden. Das
Ventil 23 wird so lange verstellt,-bis die Temperatur des Vorlaufwassers zu dem
oben beschriebenen Gleichgewicht der der Fühleranordnung zugeführten Wärmemenge
Pt und der von ihr abgeführten Wärmemenge Pb geführt hat. Damit die Linearität des
Regelverhaltens möglichst wenig gestört wird, sollte das Ventil 23
schon bei
einer kleinen Änderung der Fühlertemperatur tf, beispielsweise bei einer Änderung
von nur 5° C, voll ausgesteuert werden können.
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Statt des Dreiwegeventils 23 kann in der Kurzschlußleitung 22 auch
ein einfaches Ventil vorgesehen werden. Selbstverständlich sind auch andere Regeleingriffe
möglich. Beispielsweise kann das in F i g. 1 schematisch veranschaulichte Stellglied
ein elektrischer Schalter sein, der seinerseits ein elektrisch zu betätigendes Glied
verstellt. Es kann sich auch um ein Stellglied für die Feuerleistung im Kessel handeln,
um auf diese Weise die Kesselwassertemperatur zu beeinflussen.
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Der Fühler des thermostatischen Teiles braucht nicht die veranschaulichte,
mit Flüssigkeit und/oder Dampf gefüllte Form zu haben. Viehmehr kann statt dessen
auch ein Bimetallelement verwendet werden, dem einerseits Wärme unmittelbar zugeführt
und von dem andererseits Wärme über eine gesonderte Wärmebrücke abgeführt wird.
Auch andere temperaturempfindliche Fühler, z. B. ein temperaturabhängiger, elektrischer
Widerstand, sind für den vorliegenden Zweck geeignet.
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In F i g. 6 ist schematisch gezeigt, wie die Beheizung des Vorlauftemperaturwärrriefühlers
in Abhängigkeit von der Außentemperatur vor sich gehen kann. Von einem Wechselstromnetz
30 wird die Primärwicklung des Transformators 31 gespeist, wobei ein in Reihe
geschalteter Kondensator 32 und ein
Querwiderstand 33 für eine Spannungsstabilisierung
sorgen. Die erste Sekundärwicklung 34 speist einen Regelwiderstand 35, von dem eine
Spannung für die Heizwicklung 36 abgegriffen wird. Die zweite Sekundärwicklung 37
speist über einen Regelwiderstand 38 und einen Widerstand 39 mit negativen Temperaturkoeffizienten
die Heizwicklung 40. Der Fühler 41 ist in der obenerwähnten Weise
über den als Wärmebrücke dienenden Teil 42 des Kapillarrohres mit der Vorlaufleitung
43 verbunden, währen die Fortsetzung des Kapillarrohres 44 zum Stellglied der Heizungsanlage
führt. Von der gesamten Anordnung brauchen nur die beiden Zuleitungen zu dem Widerstand
39 nach außen geführt zu werden.
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Am Widerstand 39 herrscht die Außentemperatur ta, am Fühler 41 die
Temperatur tf und an der Vorlaufleitung 43 die Temperatur t,,. Es ist ersichtlich,
daß man durch eine Veränderung des Regelwiderstandes 38 die bei gegebener Außentemperatur
t" von der Heizwicklung 40 abgegebene Wärmemenge ändern kann. Mit Hilfe des Widerstandes
38 läßt sich also das Verhältnis der Außentemperatur zur Vorlauftemperaturänderung
einstellen. Hierbei lassen sich mühelos Anpassungen im Bereich von 0,5: 1 zu 2 :
1 erreichen. Mit Hilfe der Heizwicklung 36 kann dem Fühler eine konstante, von der
Außentemperatur unabhängige Wärmemenge zugeführt werden, deren Größe durch den Regelwiderstand
35 einstellbar ist. Mit dieser Zusatzbeheizung kann die gewünschte Temperatur des
Vorlaufwassers eingestellt werden, von der aus die Regelung auf Grund der Außentemperatur
erfolgt. Diese Zusatzbeheizung ist auch deshalb von Vorteil, weil in den meisten
Fällen die Regelung so erfolgen soll, daß der Fühler sich auf einer höheren Temperatur
befindet als das Vorlaufwasser.
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Die Schaltung in F i g. 7 entspricht in ihrer Funktion derjenigen
der F i g. 6. Wiederum wird von einem Wechselstromnetz 45 die Primärwicklung
46
eines Transformators gespeist, wobei zur Spannungsstabilisierung ein Serienkondensator
47 und Querwiderstand 48 vorgesehen sind. An der Sekundärwicklung 49 liegt
ein Spannungsteiler 50, von dessen Abgriff über einen Widerstand 51 die Heizwicklung
52 des Fühlers 56 gespeist wird. Um einer zu starken Beheizung des Widerstandes
52 vorzubeugen, ist eine Zenerdiode 53 der Heizwicklung parallel geschaltet. Von
der Sekundärwicklung 49 geht noch ein zweiter Stromkreis aus, der über den Regelwiderstand
54 und den Widerstand 55 mit negativen Temperaturkoeffizienten ebenfalls zu der
Heizwicklung 52 führt. In dieser Heizwicklung überlagern sich die aus den beiden
parallel geschalteten Stromkreisen herrührenden Ströme, so daß wiederum sowohl das
Verhältnis zwischen Außentemperaturänderung und Vorlauftemperaturänderung als auch
die gewünschte Temperatur eingestellt werden kann. Die Anordnung von Fühler 56,
Wärmebrücke 57, Vorlaufleitung 58 und Fortsetzung des Kapillarrohres 59 entspricht
F i g. 6.