DE3612712C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung eines heißen Regelmediums, wie Ofenabgas, mittels eines Thermostaten, dessen höchstzulässige Betriebstemperatur unterhalb der möglichen Maximaltemperatur des Regelmediums liegt, wobei ein Temperaturfühler des Thermostaten durch indirekten Wärmeübertragungskontakt mit dem Regelmedium auf eine Meßtemperatur gebracht wird, die mit der Temperatur des Regelmediums in definierbarem Zusammenhang steht, jedoch niedriger ist als diese und deren Maximalwert die höchstzulässige Betriebstemperatur des Thermostaten nicht überschreitet.

Beim Betrieb von Heizungsanlagen mit Feststoffeuerung, wie Zimmeröfen, Warmwasserheizungskesseln oder dergleichen, tritt häufig die Aufgabe auf, den Durchfluß der Verbrennungsluft und/oder der Abgase abhängig von einer hohen Temperatur, zum Beispiel der Temperatur der aus der Heizungsanlage austretenden Gase, beim Eintritt in den Schornstein mit Hilfe geeigneter Stellglieder zu steuern. Beispielsweise steuert bei der Vorrichtung nach der DE-OS 31 51 169 ein der Abgastemperatur einer Anlage ausgesetzter Thermostat die Verbrennungsluftzufuhr zur Feuerung eines Warmwasserheizungskessels. Bei der Vorrichtung nach der DE-OS 34 39 683 dient ein von der Abgastemperatur beeinflußter Thermostat dazu, eine Bypassklappe so zu verändern, daß die in einer Feuerstätte entstehenden Abgase bei niedriger Temperatur direkt zum Schornstein gelenkt werden, während ihnen bei hoher Temperatur über einen Wärmeaustauscher Energie entzogen wird, bevor sie in den Schornstein fließen. Thermostaten für heiße Medien, insbesondere zur Anwendung in Heizungsanlagen mit Feststoffeuerung, werden zerstört, wenn sie Temperaturen ausgesetzt werden, die höher liegen als die zulässigen Betriebstemperaturen. Insbesondere sind Flüssigkeitsthermostaten ohne Hilfsenergie gefährdet, weil deren zulässige Betriebstemperatur kaum über 100°C und damit unterhalb der gelegentlich auftretenden Abgastemperaturen von 150°C und mehr liegt. Derartig hohe Temperaturen können bei falsch dimensionierter Feuerstätte oder bei Überschreitung der vorgesehenen Brennstoffmenge oder durch Falschbedienen oder dergleichen auftreten.

In der DE-OS 34 39 683 (nicht vorveröffentlicht) ist ein Vorschlag geschildert, wie man bei dem gattungsgemäßen Verfahren bzw. dem gattungsgemäßen Thermostaten trotz hoher Abgastemperaturen einen Schutz vor thermischer Überlastung erzielen kann. Dabei kommt es zu einem Energiegleichgewicht zwischen der von der Kühlluft abgeführten und der auf den Thermostaten eingestrahlten Energie; dies hat zur Folge, daß es zu einer "Untersetzung" des Temperatursignals kommt, wobei eine Änderung von zum Beispiel 700°C des Rauchgases eine Änderung von beispielsweise nur 200°C des Thermostaten zugeordnet ist.

Nun sind Temperaturregler ohne Hilfsenergie, welche eine Temperatur von 200°C aushalten, zwar bekannt, sie sind jedoch teurer als einfache Thermostate mit Flüssigkeitsfüllung, wie sie zum Beispiel als Feuerungsregler für Warmwasserheizungskessel seit vielen Jahrzehnten bekannt sind. Letztere Thermostate werden in Betrieb bei intakter Heizung nicht wärmer als 100°C. Daher können einfache und billige Füllmittel verwendet werden, wobei zur Verbindung der Teile des Feuerungsreglers einfache Weichlötungen zur Anwendung kommen. Diese einfache Herstellungstechnik ist vor allem für den niedrigen Preis solcher Feuerungsreglerthermostaten verantwortlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Thermostaten der eingangs genannten Art zu schaffen, welche es ermöglichen, z. B. einfache Warmwasserfeuerungsregler zur Regelung von Temperaturen zu benutzen, die höher liegen als die Stabilitätsgrenze dieser Thermostaten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der erfindungsgemäße Thermostat zeichnet sich zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe aus durch eine Wärmeaustauscheinrichtung, mittels welcher ein fließfähiges Zwischenmedium im wesentlichen auf die Temperatur des Regelmediums bringbar ist; und eine Kühleinrichtung zum Abkühlen des Zwischenmediums vor dem Inkontaktkommen mit dem Temperaturfühler auf die Meßtemperatur.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sowie des Thermostaten nach der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es gelingt, die beschriebenen Probleme vollständig zu beheben und die gestellte Aufgabe zu lösen, indem mit von dem zu regelnden heißen Medium aufgeheizter Raumluft, dem Zwischenmedium, der Thermostat aufgeheizt wird, und zwar nur so lange, bis seine Temperatur auf einen etwas unterhalb seiner Stabilitätsgrenze liegenden Wert angestiegen ist. Ab diesem Temperaturwert wird dann bei Anordnung mit Zweiwege-Mischventil, wie dies bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, die dem Thermostaten zugeführte Heißluft mit zugemischter Kühlluft aus dem umgebenden Raum derartig abgekühlt, daß die Stabilitätsgrenze des verwendeten Thermostaten nicht überschritten wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Thermostaten nach der Erfindung im vertikalen Längsschnitt, teilweise geschnitten; und

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Thermostaten nach der Erfindung, ebenfalls im vertikalen Längsschnitt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein ohne Hilfsenergie arbeitender Thermostat, wie er üblicherweise als normaler flüssigkeitsgefüllter Warmwasserheizungsregler verwendet wird, dessen maximale Betriebstemperatur bei etwa 100°C liegt, in bekannter Weise einen Temperaturfühler 10 auf. Mit dem Temperaturfühler 10 ist ein Arbeitshebel 14 starr verbunden, der in der durch den Pfeil angezeigten Weise eine Schwenkbewegung ausüben kann, die in bekannter Weise für Stellzwecke verwendbar ist und hierzu mit weiteren, nicht gezeigten Regeleinrichtungen in Verbindung steht. An den Arbeitshebel 14 ist eine Ventilstange 16 angelenkt. Der Temperaturfühler 10 sitzt im übrigen in einem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kreisrunden Querschnitt aufweisenden Gehäuse in einer durch dessen Innenwandung definierten Regelkammer 18. Der Innendurchmesser des die Regelkammer 18 bildenden Gehäuses ist dabei größer als der Außendurchmesser des Temperaturfühlers 10, so daß sich in der Regelkammer 18 ein Luftstrom von unten nach oben bewegen kann. Nahe dem oberen Ende der Regelkammer 18 sind Abluftöffnungen 20 vorgesehen. Mit dem unteren Ende der Regelkammer 18 steht über eine Ventilkammer 22 eine Zuführleitung 24 in Verbindung, die in der in Fig. 1 rechts unten schematisch gezeigten Weise in einen Abgasweg 26 eines Ofens, zum Beispiel in ein Ofenrohr, hineinragt und die an ihrem in Fig. 1 unten gezeigten Ende eine Einströmöffnung 28 aufweist. Innerhalb des Abgasweges 26 ist die Zuführleitung 24, wie aus Fig. 1 ersichtlich, U-förmig oder haarnadelförmig gekrümmt; die Zuführleitung 24 kann natürlich abweichend hiervon auch mehrfach gekrümmt sein, beispielsweise in Form einer Spirale. In der Ventilkammer 22 befindet sich ein mit der Ventilstange 16 verbundener Ventilkörper 30, der mit einem unteren, ersten Ventilsitz 32 und einem oberen, zweiten Ventilsitz 34 zusammenwirkt. Der Ventilkörper 30 ist mit einem Verdrängungskörper 36 zur Erzeugung einer nichtlinearen Charakteristik des so gebildeten Drosselventiles 30, 32, 34 versehen. Im übrigen sind die Regelkammer 18, die Ventilkammer 22 und der in Fig. 1 oberhalb des Abgasweges 26 liegende Teil der Zuführleitung 24 mit einem wärmeisolierenden Mantel 38 versehen.

Der vorstehend beschriebene Thermostat arbeitet bei der Durchführung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles des Verfahrens nach der Erfindung wie folgt:

Dadurch, daß das die Zuführleitung 24 bildende wärmeaustauschende Rohr in den Abgasweg 26 des Ofens hineinragt und die Einströmöffnung 28 aufweist, wird die Zuführleitung infolge der vertikalen Anordnung der Regelkammer 18 etc., insbesondere aber wegen des weitgehend vertikalen Verlaufes der Zuführleitung 24 selbst, von Warmluft durchströmt, deren Temperatur bei Verlassen des innerhalb des Abgasweges 26 liegenden Teiles der Zuführleitung 24 im wesentlichen mit derjenigen des den Abgasweg 26 durchströmenden Abgases übereinstimmt, wobei dieser Vorgang durch natürlichen Auftrieb bewirkt wird. Der Warmluftstrom gelangt über den ersten Ventilsitz 32 bei entsprechender Öffnungsstellung des Ventilkörpers 30 in die Ventilkammer 22, von dort in die Regelkammer 18, bewegt sich, den Temperaturfühler 10 umströmend, nach oben und gelangt dann durch die Abluftöffnungen 20 ins Freie. Der Ventilkörper (Ventilkegel) 30 arbeitet in der beschriebenen Weise mit den beiden Ventilsitzen 32, 34 zusammen, indem er nämlich über die Ventilstange 16 je nach Verschwenkstellung des Arbeitshebels 14 nach oben oder unten bewegt wird. Wird die zulässige Betriebstemperatur des Temperaturfühlers 10 überschritten, so ist der Arbeitshebel 14 ganz nach unten geschwenkt, wobei der erste (untere) Ventilsitz 32 durch den Ventilkörper 30 ganz geschlossen ist. Nunmehr kann kühle Luft aus der Umgebung über den offenen zweiten, oberen Ventilsitz 34 in die Ventilkammer 22 einfließen, denn der Ventilkörper 30, welcher die Warmluft abgeschlossen hat, hat gleichzeitig den zweiten Ventilsitz 34 geöffnet, so daß also kalte Raumluft einströmen kann. Solange das Innere der Regelkammer 18 wärmer ist als die Umgebung, sorgt der natürliche Auftrieb für einen von unten nach oben gerichteten Luftstrom innerhalb der Regelkammer 18, wie vorstehend beschrieben. Ist zum Beispiel die zulässige Betriebstemperatur des Thermostaten 100°C, und es strömt von unten heiße Luft von 200°C über die Zuführleitung 24 hinzu, so werden die Ventilsitze 32 und 34 derart gedrosselt, daß die sich ergebende Mischtemperatur in der Regelkammer 18 bei 100°C liegt. Mithin ist die Stellung des Arbeitshebels 14 ein Maß für die Temperatur der in der Zuführleitung 24 aufsteigenden, als Zwischenmedium dienenden Heißluft, die von dem Regelmedium, nämlich dem den Abgasweg 26 durchströmenden Abgas des Ofens oder dergleichen, erhitzt wird. Durch die Isolierung mittels des Mantels 38 ist die gesamte Anordnung weitestgehend von der Umgebungstemperatur unabhängig.

Der Ventilkörper 30 kann, wie in Fig. 1 links gezeigt, eine lineare Durchflußcharakteristik haben, er kann aber auch, wie auf der rechten Seite angedeutet, durch den gezeigten Verdrängungskörper 36 einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Hub und Temperatur herstellen. Letzteres kann für die Beziehung zwischen Warmlufttemperatur und Ausschlag des Arbeitshebels 14 von Bedeutung sein. Der Arbeitshebel 14 leistet im übrigen die zum Öffnen und Schließen beispielsweise einer Bypassklappe nötige Arbeit, wie dies z. B. in der DE-OS 34 39 683 beschrieben ist.

Eine preiswertere, wenn auch physikalisch weniger vollkommene Ausführung erhält man, wenn, abweichend von Fig. 1, die Regelkammer 18 von der umgebenden Raumluft dauernd durchströmt wird und lediglich die über die Zuführleitung 24 zuströmende Warmluft mit Hilfe eines Einwegventiles gedrosselt wird. Dies würde in Fig. 1 bedeuten, daß der zweite Ventilsitz 34 oder eine an anderer Stelle angebrachte entsprechende Öffnung niemals gedrosselt wird, sondern der Ventilkörper 30 lediglich mit dem ersten Ventilsitz 32 zusammenarbeitet.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ragt in den Abgasweg 26, beispielsweise ein Ofenrohr oder dergleichen, die Zuführleitung 24 mittels eines Wärmeaufnahmeabschnittes 40, in Haarnadelform gebogen, hinein, ebenso wie dies auch in Fig. 1 rechts unten gezeigt ist, wobei in den Wärmeaufnahmeabschnitt 40 über die Einströmöffnung 28 Umgebungsluft einströmen kann; natürlich kann die Zuführleitung auch mehrfach gekrümmt sein, beispielsweise auch Spiralform haben. An den Wärmeaufnahmeabschnitt 40 der Zuführleitung 24 schließt eine vertikale Auftriebsstrecke 42 zur Erzeugung eines Kamineffektes an. An die vertikale Auftriebsstrecke 42 anschließend weist die Zuführleitung 24 einen Kühlabschnitt 44 auf, der aus zwei Schenkeln eines "U" besteht, die in der Zeichnung übereinander gezeichnet sind, in Wirklichkeit aber in einer horizontalen Ebene liegen. Der Kühlabschnitt 44 der Zuführleitung 24 steht mit der Regelkammer 18 eines ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 aufgebauten herkömmlichen Thermostaten in Verbindung, aus der in Richtung der Pfeile über die dort nicht gezeigten Abluftöffnungen die Luft abströmen kann.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die bei der Einströmöffnung 28 einströmende Umgebungsluft im Wärmeaufnahmeabschnitt 40 im wesentlichen auf die Temperatur der durch den Abgasweg 26 durchströmenden Abgase aufgeheizt. Die durch den Kühlabschnitt 44 gebildete Kühlstrecke, deren Wärmeaustauschfläche ggf. variabel eingestellt werden kann, gewährleistet, daß die Temperatur des die Zuführleitung 24 durchströmenden Zwischenmediums, nämlich der Warmluft, soweit abgesenkt wird, daß sie beim Erreichen der Regelkammer 18 und damit des Temperaturfühlers des Thermostaten dessen zulässige Betriebstemperatur nicht mehr übersteigt. Der Thermostat kann dann in der in Fig. 1 gezeigten Weise einen Arbeitshebel 14 etc. aufweisen, wobei gegebenenfalls auch zusätzliche Ventileinrichtungen vorgesehen seien können.

Claims (23)

1. Verfahren zur Temperaturregelung eines heißen Regelmediums, wie Ofenabgas, mittels eines Thermostaten, dessen höchstzulässige Betriebstemperatur unterhalb der möglichen Maximaltemperatur des Regelmediums liegt, wobei ein Temperaturfühler des Thermostaten durch indirekten Wärmeübertragungskontakt mit dem Regelmedium auf eine Meßtemperatur gebracht wird, die mit der Temperatur des Regelmediums in definierbarem Zusammenhang steht, jedoch niedriger ist als diese und deren Maximalwert die höchstzulässige Betriebstemperatur des Thermostaten nicht überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler mit einem fließfähigen Zwischenmedium in Kontakt gebracht wird, welches durch Wärmeaustauschkontakt mit dem Regelmedium zunächst im wesentlichen auf dessen Temperatur erwärmt und alsdann vor dem Inkontaktkommen mit dem Temperaturfühler auf die Meßtemperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenmedium vor dem Inkontaktkommen mit dem Temperaturfühler über eine Kühlstrecke geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlstrecke veränderlicher Wärmeaustauschfläche verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenmedium vor dem Inkontaktkommen mit dem Temperaturfühler mit einem kälteren Hilfsmedium gemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines gasförmigen Zwischenmediums als Hilfsmedium Umgebungsluft verwendet wird.

6. Thermostat zur Temperaturregelung eines heißen Regelmediums dessen mögliche Maximaltemperatur oberhalb der höchstzulässigen Betriebstemperatur des Thermostaten liegt, mit einer Einrichtung zum indirekten Erwärmen eines Temperaturfühlers des Thermostaten auf eine Meßtemperatur, die mit der Temperatur des Regelmediums in definierbarem Zusammenhang steht, jedoch niedriger ist als diese und deren Maximalwert die höchstzulässige Betriebstemperatur des Thermostaten nicht überschreitet, gekennzeichnet durch eine Wärmeaustauscheinrichtung (40), mittels welcher ein fließfähiges Zwischenmedium im wesentlichen auf die Temperatur des Regelmediums bringbar ist; und eine Kühleinrichtung (30, 32, 34; 44) zum Abkühlen des Zwischenmediums vor dem Inkontaktkommen mit dem Temperaturfühler (10) auf die Meßtemperatur.

7. Thermostat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine Kühlstrecke (44) aufweist.

8. Thermostat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstrecke (44) mit variabler Wärmeaustauschfläche ausgebildet ist.

9. Thermostat nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstrecke ein langgestrecktes, von dem Zwischenmedium durchströmtes Kühlrohr (24, 40, 44) aufweist, dessen Außenfläche zumindest über einen Teil seiner Längserstreckung mit der Umgebungsluft in wärmeabgebendem Kontakt steht.

10. Thermostat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr von Umgebungsluft als Zwischenmedium durchströmbar ist; und daß das Kühlrohr von einer Einströmöffnung (28) für die Umgebungsluft aus aufeinanderfolgend einen Wärmeaufnahmeabschnitt (40), der von dem Regelmedium, wie Ofenabgas, umströmbar ist, sowie daran anschließend einen an seinem der Einströmöffnung (28) abgewandten Ende mit dem Temperaturfühler (10) kommunizierenden, in der Umgebungsluft liegenden Kühlabschnitt (44) aufweist.

11. Thermostat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr im Anschluß an den Wärmeaufnahmeabschnitt (40) eine im wesentlichen vertikal verlaufende Auftriebsstrecke (42) aufweist.

12. Thermostat nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlabschnitt (44) im wesentlichen horizontal verläuft.

13. Thermostat nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlabschnitt (44) im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.

14. Thermostat nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnahmeabschnitt (40) im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.

15. Thermostat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine Mischeinrichtung (30, 32, 34) zum Beimischen von kälterer Umgebungsluft zu dem wärmeren Zwischenmedium aufweist.

16. Thermostat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung ein Drosselventil aufweist, das mit einem mit dem Temperaturfühler (10) über ein Gestänge (14, 16) oder dergleichen in Verbindung stehenden Ventilkörper (30) mit zugeordnetem ersten Ventilsitz (32) versehen ist und den Eintritt von Zwischenmedium in eine den Temperaturfühler (10) umgebende Regelkammer (18) oder dergleichen regelt.

17. Thermostat nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ventilkörper (34) ein zweiter Ventilsitz (34) zugeordnet ist, der gegenläufig zum ersten Ventilsitz (32) den Eintritt von kälterer Umgebungsluft in die Regelkammer (18) regelt.

18. Thermostat nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (30) und/oder der/die Ventilsitz(e) (32, 34) mit Verdrängungskörpern (36) oder dergleichen zur Erzeugung einer nichtlinearen Abhängigkeit der Meßtemperatur von der Temperatur des Regelmediums versehen ist/sind.

19. Thermostat nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkammer (18) von dem Zwischenmedium bzw. dem Gemisch aus Zwischenmedium und Umgebungsluft vertikal durchströmbar ist.

20. Thermostat nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkammer (18) und/oder eine über das Drosselventil (30, 32, 34) damit kommunizierende Zuführleitung (24) für das Zwischenmedium vertikal durchströmbar angeordnet ist bzw. sind.

21. Thermostat nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge einen mit dem Ausdehnungskörper (12) starr verbundenen Arbeitshebel (14) und eine daran angelenkte, den Ventilkörper (30) tragende Ventilstange (16) aufweist.

22. Thermostat nach Anspruch 21 und/oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (24) von Umgebungsluft als Zwischenmedium durchströmt ist und einen dem Drosselventil (30, 32, 34) vorgeschalteten Wärmeaufnahmeabschnitt (40) aufweist, der von dem Regelmedium, insbesondere Ofenabgas, umströmt ist.

23. Thermostat nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der in einen Abgasweg (26) oder dergleichen hineinragende Wärmeaufnahmeabschnitt (40) im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.