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Thermostatisch betätigtes Ventil
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Die Erfindung bezieht sich auf eintermostatisch betätigtes Ventil,
dessen von der Temperatur-Regelabweichung abhängige Durchfluß-Kennlinie im Anschluß
an einen normalen Regelabschnitt einen den Durchfluß begrenzenden Abschnitt aufweist.
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Bei einem bekannten Thermostat-Ventil dieser Art (DE-OS 29 36 027)
ist das Ventilverschlußstück mit einem den Ventilsitz durchsetzenden Fortsatz versehen,
der einen konischen Übergangsabschnitt mit abnehmendem Querschnitt und einen daran
anschließenden zylindrischen Hals aufweist, der im Innern der Ventilsitzbohrung
endet.
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Uber einen ersten Hub-Abschnitt wird die Durchfluß-Kennlinie hauptsächlich
durch den Drosselspalt zwischen dem konischen Ubergangsabschnitt und dem Ventilsitz
bestimmt. Dies ergibt einen normalen Regelabschnitt, der vorzugsweise annähernd
linear verläuft. Bei weiterem Hub wird die Durchflußmenge hauptsächlich von dem
zwischen dem Hals und der Ventilsitzbohrung gebildeten Spalt bestimmt. Dies ergibt
einen unabhängig vom Hub etwa konstant bleibenden Durchfluß.
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Der normale Regelabschnitt entspricht dem Proportionalbereich eines
solchen Ventils und erstreckt sich in der Praxis über etwa 2 °K.
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Die Durchflußbegrenzung wird normalerweise bei Thermostaten durch
eine Hubbegrenzung mit Hilfe eines gehäusefesten Anschlags bewirkt. Da bei vorliegendem
Thermostatventil
der entsprechende Gehäuseteil aber aus anderen Gründen axial verstellbar ist, wird
die funktionsmäßig gleiche Durchflußbegrenzung mit Hilfe des Fortsatzes am Ventilverschlußstück
erzielt.
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Die bekannte Durchflußbegrenzung, sei es mit Hilfe einer Hubbegrenzung
oder mit Hilfe des Fortsatzes, gegebenenfalls in Verbindung mit einer einstellbaren
Drossel, hat den Vorteil, daß die maximale Durchflußmenge auch bei sehr großem Wärmebedarf
einen bestimmten Wert nicht überschreiten kann. Trotzdem läßt es sich nicht vermeiden,
daß beim Öffnen des Fensters, wenn der Raum gelüftet werden soll, infolge der dabei
auftretenden Abkühlung das Ventil in die volle Öffnungsstellung geht und die maximale
Wärmemenge geliefert wird. Wenn daher der Benutzer dæ Ventil nicht auf einen kleineren
Sollwert verstellt hat, wird Wärmeenergie unnütz abgegeben. Ein weiteres Problem
tritt auf, wenn größere Unterschiede zwischen dem Temperatur-Sollwert und dem Temperatur-Istwert
in einer Anlage mit vielen Thermostatventilen gleichzeitig auftreten. Dies ist beispielsweise
der Fall, wenn eine Anlage in Betrieb genommen wird oder wenn bei mit Nachtabsenkung
ausgestatteten Ventilen der Sollwert morgens erhöht wird. In diesem Fall werden
nämlich die der Pumpe am nächsten liegenden Ventile bevorzugt mit dem Wärmeträger
versorgt, während die strömungstechnisch ungünstiger angebrachten Heizkörper erst
dann voll mit dem Wärmeträger versorgt werden, wenn die erstgenannten Ventile bereits
gedrosselt haben. Dies bedeutet, daß die Heizkörper unterschiedlich rasch warm werden,
wobei die Verzögerung in ungünstigen Fällen mehrere Stunden dauern kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermostatisch betätigtes
Ventil der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dessen Hilfe die geschilderten
Verteilungsschwierigkeiten zu einem erheblichen Teil beseitigt werden können und
ein unnötiger Energieverbrauch herabgesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der begrenzende
Abschnitt der Durchfluß-Kennlinie einen negativen
Ast aufweist.
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Der negative Ast führt dazu, daß mit steigendem Ventilhub der Durchfluß
nicht nur auf einen konstanten Wert begrenzt, sondern von einem oberen Grenzwert
wieder herabgesetzt wird. Dies hat den Vorteil, daß bei großen Unterschieden zwischen
dem Sollwert und dem Istwert der Temperatur die Ventile in einer Anlage nur teilweise
geöffnet sind, so daß beispielsweise beim Einschalten der Heizanlage oder beim Aufheben
der Nachtabsenkung alle Heizkörper gleichzeitig einen Teil des von der Pumpe gelieferten
Wärmeträgers erhalten. Die großen zeitlichen Verzögerungen bei der Behizung der
einzelnen Heizkörper entfallen. Auch wenn beim Öffnen des Fensters die Raumtemperatur
um mehrere OK sinkt, ist das Ventil nur teilweise geöffnet, so daß nicht unnötig
Wärme an den Raum abgegeben wird. Dies führt zu erheblichen Energieeinsparungen.
Dies ist besonders dort wichtig, wo keine Möglichkeit besteht oder nicht daran gedacht
wird, den Sollwert des Thermostatventils beim Öffnen des Fensters herabzusetzen,
z.B.
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in öffentlichen Gebäuden. Die verminderte Durchflußmenge macht sich
auch bei Fernheizungsanlagen bemerkbar, wo nach verbrauchter Wassermenge abgerechnet
wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der negative Ast bei einem unteren
Grenzwert endet, der zwischen 40 und 80 % des maximalen Durchflusses liegt. Ein
solcher Wert erbt einerseits eine ausreichend starke Verminderung des Durchflusses,
um die erstrebten Ziele zu erreichen, läßt aber andererseits noch einen solchen
Durchfluß zu, daß die jeweilige Aufheizung bis zum Erreichen des Proportionalbereichs
in angemessener Zeit erfolgt.
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Günstig ist es, wenn der untere Grenzwert des negativen Astes mindestens
gleich dem Durchfluß bei einer Temperatur-Regelabweichung von 2 OK ist. Dadurch
ist bei einem üblicherweise auf einen normalen Arbeitsbereich von 2 0K ausgelegten
Ventil sichergestellt, daß der Arbeitspunkt, nachdem er den negativen Ast durchlaufen
hat, zum normalen Regelabschnitt zurückkehrt.
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An den negativen Ast sollte sich ein horizontaler Ast anschliessen.
Für einen bestimmten Bereich der Temperatur-Regelabweichung ergeben sich dann konstante
Durchflußverhältnisse. Zur Begrenzung dieses horizontalen Astes kann hieran ein
positiver Ast anschließen.
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Wenn man von einem Ventil ausgeht, bei dem das Ventilverschlußstück
einen den Ventilistz durchsetzenden Fortsatz trägt, der einen Ubergangsabschnitt
mit abnehmendem Querschnitt und einen daran anschließenden Hals aufweist, läßt sich
die erstrebte Durchfluß-Kennlinie besonders leicht dadurch erreichen, daß im Anschluß
an den Hals ein Begrenzungskörper vorgesehen ist, dessen Querschnitt größer ist
als derjenige des Halses und kleiner als derjenige der Ventilsitzbohrung ud der
in der Schließstellung mit Abstand von dem dem Ventil sitz gegenüberliegenden Ende
der Ventilsitzbohrung angeordnet ist. Sobald der Begrenzungskörper in den Bereich
der Ventilsitzbohrung kommt, ergibt sich ein negativer Ast der Kennlinie.
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Wenn der Ubergangsabschnitt etwa konisch und der Hals etwa zylindrisch
ist, sollte der Begrenzungskörper ebenfalls einen zylindrischen Teil aufweisen.
Solange sich dieser zylindrische Körper in der Ventlsitzbohrung befindet, erhält
man den unteren Grenzwert des Durchfluosses innerhalb des begrenzenden Abschnittes.
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Dem zylindrischen Teil des Begrenzungskörpers kann ein Konusteil vorgeschaltet
sein. Auf diese Weise läßt sich die Neigung des negativen Astes verringern.
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In machen Fällen ist es auch günstig, wenn dem zylindrischen Teil
des Begrenzungskörpers ein Konusteil nachgeschaltet ist.
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Dies verbessert die Strömungseigenschaften und führt bei einem sehr
großen Überhub dazu, daß der Durchfluß wieder ansteigt.
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Mit Vorzug ist die axiale Länge des zylindrischen Halbes etwa gleich
derjenigen der Ventilsitzbohrung. Hierdurch schließt der negative Ast unmittelbar
an den normalen Teil der Kennlinie an
Die Erfindung wird nachstehend
anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es zeigen: Fig, 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Thermostatventil,
Fig. 2 den Bereich des Ventilsitzes in vergrößerter Darstellung und Fig. 3 eine
von der Temperatur-Regelabweichung abhängige Durchfluß-Kennlinie.
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Ein Ventil besitzt ein Gehäuse 1, das einen Eintrittsstutzen 2 und
einen Austrittsstutzen 3 aufweist, der über eine Uberwurfmutter 4 mit einem Nippel
5 verbunden ist.
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Auf einem Gehäusebund 6 ist der Fuß 7 eines Thermostataif satzes 8
mit Hilfe eines Spannbandes 9 und einer Schraube 10 befestigt.
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Ein Drehgriff 11 dient der Einstellung eines Sollwertes. Beispielsweise
weist der Thermostataufsatz eine Balgdose mit Flüssigkeits-Dampf-Füllung auf, deren
Druck einer mit Hilfe des Drehgriffs 11 verstellbaren Sollwertfeder entgegenwirkt,
so daß sich Gleichgewichtsstellungen ergeben, durch welche ein Ventilstift 12 verschoben
wird.
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Im Gehäusebund 6 ist ein Einsatz 13 eingeschraubt, der eine mit einer
Dichtung 14 versehene Stopfbuchse 15 für den Durchtritt des Ventilstiftes 12 aufnimmt.
Im Einsatz 13 ist ein Ventilschaft 16 geführt, der durch eine Rückstellfeder 17
belastet ist und am unteren Ende ein Ventilverschlußstück 18 trägt.
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Dieses arbeitet mit einem Ventilsitz 19 zusammen.
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Fig. 2 zeigt, daß an den Ventilsitz 19 eine Ventilsitzbohrung 20 anschließt.
Das Ventilverschlußstück 18 weist einen den Ventilsitz 19 durchsetzenden Fortsatz
21 auf, der aus einem konischen Itbergangsabschnitt 22, einem zylindrischen Hals
23 und einem Begrenzungskörper 24 besteht. Letzterer weist einen zylindrischen
Teil
25, einen vorgeschalteten Konusteil 26 und einen nShgeschalteten Konusteil 27 auf.
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Fig. 3 zeigt in einem Diagramm über der Temperatur-Regelabweichung
xp den Kv-Wert, also den Durchfluß. Wegen der thermostatischen Steuerung entspricht
dieser Regelabweichung, also der Differenz zwischen dem eingestellten Sollwert und
dem Istwert der Raumtemperatur, ein von den Ventildaten, z.B. der Feder 17, abhängiger
Ventilhub. Die Kennlinie besitzt einen normalen Regelabschnitt A, der etwa linear
verläuft und im wesentlichen durch den Spalt zwischen dem konischen Übergangsabschnitt
22 und dem Ventilsitz 19 bestimmt wird. Es schließt sich ein negativer Ast B an,
der sich ergibt, wenn sich der Konusteil 26 der Unterkante der Ventilsitzbohrung
20 nähert. Sobald der zylindrische Teil 24 in die Bohrung 20 eintritt, ergibt sich
der horizontale Ast C. Wenn der Konusteil 27 oben aus der Ventilsitzbohrung 20 auszutreten
beginnt, ergibt. sich der Ast D der Kennlinie. Verlängert man den zylindrischen
Teil 25, ergäbe sich der Kennlinienabschnitt D1. Das Ventil ist so ausgelegt, daß
im Punkt K (xp = 20K) 80 % des maximalen Durchflusses erreicht werden. Bei größeren
Temperatur-Regelabweichungen steht zunächst noch eine Durchflußreserve zur Verfügung.
Anschließend sinkt der Durchfluß aber wieder gemäß dem negativen Ast B auf einen
Grenzwert, der etwas über 80 % des maximalen Durchlusses liegt. Dieser Zustand ergibt
sich insbesondere beim öffnen des Fensters, beim Einschalten einer Heizanlage oder
bei der morgendlichen Heraufsetzung des Sollwertes bei einer Anlage mit Nachtabsenkung.
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Gestrichelt ist eine andere Ausführung gezeigt. Durch Wahl einer stärkeren
Feder 17 entspricht der Wert xp = 2 °K dem Punkt Kl und damit einem Durchfluß von
40 %. Entsprechend größer ist die Durchflußreserve und entsprechend länger kann
der negative Ast Bs sein. Die anschließenden Äste Cl, D' und D1' entsprechen denjenigen
des voll ausgezogenen Beispiels.
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Die erstrebte Durchfluß-Kennlinie läßt sich auch auf andere Weise
erreichen. Beispielsweise kann ein mit dem Ventilschaft verbundener Begrenzungskörper
mit einer von der Ventil sitzbohrung
unabhängigen Bohrung zusammenwirken,
welche dem Ventilsitz vor- oder nachgeschaltet ist.