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Verfahren und Vorrichtung zum thermisch gesteuerten und
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überhitzungssicheren Schalten und Regeln Die Erfindung betrifft ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum thermisch gesteuerten und überhitzungssicheren
Schalten und Regeln eines über eine Rohrleitung mit einem Behälter dicht verbundenen
Ausdehnungsgefäßes.
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Aus der Praxis ähnlich bekannte Verfahren und insbesondere Vorrichtungen
verwenden Ausdehnungsgefäße, die entweder mit einer geeigneten Flüssigkeit oder
mit einem Gas vollständig gefüllt sind und bei denen sich die Flüssigkeit oder das
Gas bei Erwärmung ausdehnt. Die Ausdehnung ist dabei mit zunehmender Temperatur
etwa linear (ebenso das Zusammenziehen bei abnehmender Temperatur), entsprechend
dehnt sich das Ausdehnungsgefäß allmählich aus oder zieht sich zusammen.
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Der Nachteil derartiger Aus dehnungs gefäße besteht insbesondere darin,
daß diese keinen definierten Schaltpunkt haben, bei dem sich das Ausdehnungsgefäß
rasch ausdehnt oder zusammenzieht
und daß sich das Ausdehnungsgefäß
bei Überhitzung der Flüssigkeit oder des Gases so stark ausdehnt, daß es dadurch
zerstört wird.
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Zur Erzeugung einer mechanischen Bewegung durch Temperaturänderungen
finden auch die hinreichend bekannten Bimetallelemente Verwendung. Dabei werden
unterschiedliche Materialien verwendet, die bei Temperatureinwirkung einer unterschiedlich
starken Ausdehnung bzw. Verformung unterliegen und dabei eine Kraft erzeugen, die
insbesondere zu Schalt- und Steuerzwecken benutzt wird.
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Nachteilig ist auch hierbei, daß die Ausdehnung bzw. Verformung mit
steigender Temperatur allmählich zunimmt und bei Überhitzung der Materialien eine
nicht reversible Verformung oder Beschädigung die Folge sein kann.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu schaffen, mit der erst bei Erreichen einer bestimmten Temperatur
eine schnelle und in der Weglänge definierte Bewegung ausführbar ist. Dabei sollte
bei weiterem Ansteigen der Temperatur sowohl als auch eine weitere- Längenänderung
bzw. Verformung noch eine Beschädigung ausgeschlossen sein. Beim Unterschreiten
der Grenztemperatur sollten diese Veränderungen genau so schnell reversibel sein.
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Erfindungsgemäß sind zur Lösung der gestellten Aufgabe die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 und der ihm folgenden Unteransprüche
vorgesehen.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Volumenänderung
von wenigstens einem im Ausdehnungsgefäß enthaltenen flüssigen Medium in Verbindung
mit der Rohrleitung und dem Behälter eine Relativbewegung ausgelöst wird, die, unter
Zuhilfenahme geeigneter Betätigungsmittel (z.B. Klappen, Hebel, Gestänge u.ä.) in
eine rasch wirksame Stellkraft umgesetzt werden kann. Dabei befindet sich das im
Ausdehnungsgefäß, in der Rohrleitung und im Behälter abgefüllte bzw. enthaltene
flüssige Medium sowohl in seiner flüssigen als auch in seiner gasförmigen Phase
im thermodynamischen Gleichgewicht.
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Das heißt, daß der Innendruck in den miteinander verbundenen Komponenten
dem zu dieser Temperatur gehörenden Dampfdruck des Mediums entspricht. Der gleichzeitig
auf das Ausdehnungsgefäß wirkende Umgebungsdruck (z.B. der atmosphärische Luftdruck)
bedingt ein Zusammendrücken des temperaturbeaufschlagten Behälters, wenn dessen
Temperatur unter dem Siedepunkt des darin enthaltenen flüssigen Mediums liegt und
demzufolge der Innendruck kleiner als 1 bar ist. Bei Überschreiten der Siedepunkttemperatur
wird der Innendruck im Behälter größer als der Umgebungsdruck am Ausdehnungsgefäß,
wobei das flüssige Medium zum Teil verdampft und dadurch vom Behälter in das Ausdehnungsgefäß
gedrückt bzw. aus der gasförmigen Phase rekondensiert wird. Durch weitere Temperaturbeaufschlagung
ist schließlich der Behälter nur noch mit der gasförmigen Phase des flüssigen Mediums
gefüllt. Ist die Rohrleitung am Behälter unten angeordnet, so strömt das Medium
in seiner flüssigen Phase sehr rasch in das Ausdehnungsgefäß, weil nur eine relativ
kleine Dampfmenge erzeugt
werden braucht und somit nur wenig Wärmeenergie
benötigt wird, um das flüssige Medium zu verdrängen. Ist der Anschluß der Rohrleitung
am Behälter oben angeordnet, so strömt der Dampf des darin enthaltenen flüssigen
Mediums in die Rohrleitung und in das Ausdehnungsgefäß, wo er erst kondensiert werden
muß. Da der Verdampfungsprozeß relativ viel Wärmeenergie benötigt, muß diese bei
der Kondensation wieder abgeführt werden.
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Um hierbei einen guten Wärmetausch mit der Umgebung zu erzielen, muß
die Rohrleitung entsprechend lang ausgebildet sein; dazu kann deren Oberfläche durch
Anordnung von Wärmetauschrippen vergrößert und/oder zwangsweise gekühlt werden.
Eine Anordnung der Rohr leitung unten am Behälter ist im allgemeinen anderen Anordnungen
an anderen Stellen des Behälters vorzuziehen.
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Die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Ausdehnungsgefäßes (z.B.
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Balg) bei Erreichen des Siedepunktes des flüssigen Mediums ist durch
Wahl des Durchströmquerschnittes der Rohrleitung beeinflußbar, z.B. durch eine darin
angeordnete Düse.
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Nach vollständigem Übergang des flüssigen Mediums vom Behälter in
das Ausdehnungsgefäß kann der Innendruck nicht weiter steigen, da sich im Behälter
nur noch überhitzter Dampf befindet.
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Dazu ist jedoch vorausgesetzt, daß das Ausdehnungsgefäß und ein Teil
der Rohrleitung eine niedrigere Temperatur als die Siedetemperatur des flüssigen
Mediums haben.
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Sinkt die Temperatur des Behälters unter den Siedepunkt des flüssigen
Mediums, so beginnt der Dampf unter gleichzeitigem Druckabfall unter 1 bar zu kondensieren.
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Wirken zum Umgebungsdruck (Luftdruck) auf das Ausdehnungsgefäß noch
zusätzliche Kräfte, z.B. die Eigenspannung des Balges, die gegebenenfalls noch durch
eine zusätzliche Feder veränderbar ist, so entspricht die Temperatur (Schalttemperatur),
bei welcher sich das Ausdehnungsgefäß dehnt oder zusammenzieht, nicht mehr der Siedetemperatur
des flüssigen Mediums bei Umgebungsdruck. Zum Beispiel erhöht ein zusätzlicher Druck
auf das Ausdehnungsgefäß die Schalttemperatur, wogegen eine gegen den Umgebungsdruck
(Luftdruck) wirkende Kraft die Schalttemperatur verringert. Damit der Behälter möglichst
rasch die Temperatur des ihn umgebenden Mediums annimmt, können eine Reihe von Maßnahmen
getroffen werden. So kann beispielsweise der Behälter relativ lang und mit kleinem
Innendurchmesser sowie schrauben-oder spiralförmig ausgebildet bzw. aufgewickelt
sein. Die Konstruktion ist besonders einfach, wenn die Rohrleitung zugleich oder
teilweise der Behälter ist. Der Wärmeübergangzum Behälter ist auch durch Vergrößerung
der Oberfläche verstärkbar (z.B.
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Anordnung von Rippen). Außerdem ist ein schnelles Verdampfen des flüssigen
Mediums durch Anordnung einer wärmerohrähnlichen Kapillarstruktur (z.B. Drahtgewebe
oder Rillenstruktur) an der Innenwand des Behälters bzw. der Rohrleitung erzielbar.
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Bei der Wahl des flüssigen Mediums ist neben dem den Regelpunkt bestimmenden
Siedepunkt auch die chemische Verträglichkeit mit dem für das Ausdehnungsgefäß,
den Behälter und/oder die Rohrleitung
verwendeten Materials (Wand-
bzw. Innenwandmaterial) und die thermische Stabilität des verwendeten Mediums von
Bedeutung. Zum Beispiel besitzt Wasser eine relativ gute thermische Stabilität und
verträgt sich gut mit Kupfer und Bronze. Dagegen ist Ammoniak und die meisten organischen
flüssigen Medien, insbesondere die Sicherheitskältemittel, mit Aluminium und Stahl
verträglich.
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Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, beliebige Bauteile
mechanisch zu betätigen. Zum Beispiel die Betätigung und Steuerung bzw. Regelung
von Abgasklappen an Heizungsanlagen, wo beispielsweise bei einer Gasheiztherme der
Abzug stets geschlossen sein sollte, wenn der Brenner nicht in Betrieb ist.
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Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.
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Es zeigen: Fig. la links ein Ausdehnungsgefäß als Balg mit am Behälter
unten angeordneter Rohrleitung und teilweise gefüllt mit einem mit seiner gasförmigen
Phase im thermischen Gleichgewicht befindlichen flüssigen Medium, rechts ein Ausdehnungsgefäß
mit Membrane, Fig. ib das Ausdehnungsgefäß gemäß Fig. 1a links in zusammengedrücktem
Zustand, Fig. Gc das Ausdehnungsgefäß gemäß Fig. 1a links und 1b in gedehntem Zustand,
Fig.
1d das Ausdehnungsgefäß gemäß Fig. la links mit am Behälter oben angeordneter Rohrleitung,
Fig. 2 ein Ausdehnungsgefäß durch eine Feder von außen beaufschlagt, Fig. 3 ein
Ausdehnungsgefäß verbunden mit einem als Rohrleitung ausgebildeten Behälter, Fig.
4 die Anordnung einer Kapillarstruktur im Behälter und/oder in der Rohrleitung,
Fig. 5 eine Anordnung einer nach einer der Fig. 1 bis 4 - gemäßen Vorrichtung als
Regel- und Schaltelement einer Abgasklappe.
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Aus Fig. 1a ist ein Ausdehnungsgefäß in Form eines Balges 1 dargestellt,
welcher durch einen Umgebungdruck, z.B. durch den atmosphärischen Luftdruck 2 beaufschlagt
und durch eine Rohrleitung 3 mit einem geschlossenen Behälter 5 verbunden ist.
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Der Balg 1 ist zusammen mit der an seiner Unterseite angeordneten
und ebenfalls an der Unterseite in den Behälter 5 mündenden Rohrleitung 3 mit einem
flüssigen Medium 6 gefüllt. Der im Behälter 5 vorhandene verhältnismäßig niedrige
Flüssigkeitsspiegel 7 des flüssigen Mediums 6 ist Ausdruck des thermodynamischen
Gleichgewichts zwischen flüssiger und gasförmiger Phase des Mediums 6, 6'. Das heißt,
daß der Innendruck 8 im Gesamtsystem dem zu dieser Temperatur gehörigen Dampfdruck
des Mediums entspricht.Dieser Dampfdruck 8 steht mit dem von Balg 1 über die Rohrleitung
3 her wirkenden Druck im Gleichgewicht.
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In der Fig. rechts ist das Ausdehnungsgefäß 1 mit einer Membrane 21
versehen. Liegt die Temperatur des Behälters 5 unter
dem Siedepunkt
des flüssigen Mediums 6, so ist der Innendruck 8 kleiner als der atmosphärische
Luftdruck 2 (1 bar); der Balg 1 wird dann vom Luftdruck 2 zusammengedrückt und der
Flüssigkeitsspiegel 7 des Mediums 6 steigt im Behälter 5 nach oben an (Fig.
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1b). Die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Balg 1 beim Erreichen
des Siedepunktes ausdehnt, ist durch Wahl des Innen durchmessers der Rohrleitung
3, insbesondere durch eine darin angeordnete Düse 9 beeinflußbar.
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Wird dagegen, wie aus Fig. 1c ersichtlich, bei Temperaturbeaufschlagung
4 des Behälters 5 der Siedepunkt des Mediums 6 überschritten, so steigt der Innendruck
8 über dem Außendruck 2 (Luftdruck); der Balg 1 dehnt sich und nimmt die flüssige
Phase des Mediums 6 in sich auf. Der Behälter 5 ist dann nur noch mit dem überhitzten-Dampf
der gasförmigen Phase des Mediums 6 gefüllt. Befindet sich der Anschluß der Rohrleitung
3 unten am Behälter 5, so strömt das Medium 6 in seiner flüssigen Phase rasch in
das Ausdehnungsgefäß bzw. den Balg 1, weil nur eine relativ kleine Dampfmenge erzeugt
werden braucht und nur wenig Wärmeenergie benötigt wird, um die flüssige Phase des
Mediums 6 zu verdrängen.
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Ist, wie Fig. 1d zeigt, der Anschluß der Rohrleitung 3 oben am Behälter
5, so muß die darin enthaltene flüssige Phase des- Mediums 6 zunächst in die gasförmige
Phase 6' übergehen (Temperaturbeaufschlagung 4). Der dabei entstehende Dampf strömt
dabei durch die Rohr leitung 3 und muß dort durch einen vorgeschalteten Kondensator
10 kondensiert, d. h. in die flüssige Phase des Mediums 6 zurückverwandelt werden.
Die Rohrleitung 3
soll dazu entsprechend lang sein, um einen optimalen
Wärmetausch mit der Umgebung zu erzielen. Durch Anordnung von zusätzlichen Wärmetausch-
bzw. Kühlrippen 11 (auch Fig. 3) und/ oder einer zwangsweisen Kühlung ist der Effekt
noch verstärkbar.
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In Fig. 2 ist ein mit einer Rohrleitung 3 versehener und mit einem
flüssigen Medium 6 gefülltes Ausdehnungsgefäß bzw. Balg 1 durch eine Feder 12 druckbeaufschlagt.
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In Fig. 3 ist am Ausdehnungsgefäß bzw. Balg 1 ein als Rohrleitung
3 ausgebildeter Behälter 5 angeschlossen. Während hier der Balg 1 und ein Teil der
Rohrleitung 3 mit einem flüssigen Medium 6 gefüllt ist, enthält der rohrförmige
und mit Wärmetauschrippen 11 versehene Behälter 5 die gasförmige Phase (Dampf) 6'
des flüssigen Mediums 6.
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Aus Fig. 4 ist die Anordnung einer Kapillarstruktur 13 im mit dem
flüssigen Medium 6 teilweise gefüllten Behälter 5 und/oder in der Rohr leitung 3
ersichtlich.
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Schließlich ist aus Fig. 5 die prinzipielle Anordnung einer der Fig.
1 bis 4 gemäßen Vorrichtung als Schalt- und Regelelement 14 einer Abgasklappe (Ofenklappe)
15 ersichtlich. Bekanntlich soll z.B. bei einer Gasheiztherme 16 (nur teilweise
in der Fig. dargestellt) der Abzugsschacht 17 stets geschlossen sein, wenn der Brenner
18 außer Betrieb ist. Dazu ist der Behälter 5 im Abgasstrom 19 der Gasheiztherme
16 angeordnet, das
Ausdehnungsgefäß bzw. der Balg 1 aber außerhalb
des Abgasstromes 19. Die Abgasklappe 15 ist dabei über dem Behälter 5 im Abzugsschacht
17 hängend angeordnet. Ist die Gasheiztherme 16 außer Betrieb und somit der Behälter
5 ohne Temperaturaufschlag, so ist der Balg zusammengezogen und der Abzugsschacht
17 durch die Abgasklappe 15 verschlossen. Bei Inbetriebsetzung der Gasheiztherme
16 durch Einschalten des Brenners 18 wird der darüber angeordnete Behälter 5 und
das darin befindliche flüssige Medium 6 (z.B. Wasser) erwärmt. Bei Verwendung von
Wasser beginnt sich das Ausdehnungsgefäß bzw. der Balg 1 unterhalb von 1000 C auszudehnen,
weil gegen den Luftdruck 2 (Fig.
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la) von 1 bar noch die Eigenspannung des Balges 1 und das Gewicht
der verwendeten Bauteile (Abgasklappe 15 und Gestänge 20) wirken. Die Abgasklappe
15 wird somit innerhalb eines kleinen Temperaturintervalls auf und zu bewegt. Die
Stellkraft wird erzeugt durch das Verdampfen des flüssigen Mediums 6 in dem Regel-
und Schaltelement 14 und durch Kondensation und/oder Verschiebung dieses Mediums
6 in dem von einem niederen Temperaturniveau als dem des Abgasstromes 19 angeordneten
Ausdehnungsgefäß bzw. Balg 1.
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Die Eigensicherheit der Abgasklappe 15 ist dadurch gewährleistet,
daß bei Undichtigkeiten am Balg 1, an der Rohrleitung 3 oder am Behälter 5 der Unterdruck
zusammenbricht und sich dadurch die Abgasklappe 15 öffnet. Bricht ein Bauteil des
Regel-und Schaltelementes 14, so fällt die Abgasklappe 15 nach unten und der Abzugsschacht
17 ist ebenfalls frei.
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L e e r s e i t e