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Einrichtung zum Messen, Aufzeichnen oder Regeln der Abkühlungsgröße
Der Begriff Klima umfaßt mehrere Zustandsgrößen der uns umgebenden Luft, von denen
die hauptsächlichsten die Lufttemperatur, die Temperatur der den Menschen umgebenden
Strahler, die Feuchtigkeit und .die Geschwindigkeit der Luft sind. Bisher hat man
daher beim selbsttätigen Regeln eines Klimas diese Größen oder die wichtigsten von
ihnen einzeln gemessen und zum Ableiten von Regelimpulsen verwendet. Dies ist jedoch
insofern nicht zweckmäßig, ,als .die das menschliche Wohlbefinden bestimmende Größe
nicht die Temperatur oder die Feuchtigkeit oder eine :der anderen angeführten Größen
ist, sondern eine verwickelte Funktion aller ,dieser Einflußgrößen, die sogenannte
Abkühlungsgröße. Die Abkühlungsgröße -ist die Wärmemenge, die von der Einheitsfläche
der menschlichen. Haut in der Zeiteinheit abgegeben wird. Sie ist allein maßgebend
für denGrad -des Wohlbefindens des Menschen und sollte daher zum Regeln eines künstlichen
Klimas verwendet werden. Das Gefühl eines unangenehmen Klimas entsteht im Falle
.der Kälte einfach .durch .einen zu großen Wärmeentzug, eine zu große Luftgeschwindigkeit
oder zu große Trockenheit. Das Gefühl der Schwüle entsteht dagegen durch zu hohe
Temperatur, zu geringe Luftbewegung oder zu große Feuchtigkeit. In einem Koordinatensystem,
in :dem .die Temperatur, .der Wasserdampfdruck und die Geschwindigkeit der Luft
die drei Koomdinaten,darstellen, kann man den Raum in Zonen gleicher
Behaglichkeit
einteilen. Es entstehen Ellipsoide mit Mantelflächen gleicher Behaglichkeit, wobei
ein mehr oder minder ausgedehntes Gebiet höchster Behaglichkeit vorhanden ist. Wenn
man nach dem bekannten Verfahren die Temperatur und die Feuchtigkeit eines Raumes
regelt, so ist es sehr leicht möglich, daß man, von einem Zustand höchster Behaglichkeit
ausgehend, eine Verminderung der Behaglichkeit durchführt, nur weil die Lufttemperatur
infolge einer ebenfalls vorhandenen Abweichung der Feuchtigkeit oder der Luftbewegung
vom Sollwert dem Sollwert nicht entspricht. Die Regelung wird demnach in Tätigkeit
gesetzt, .der geregelte Zustand unter Umständen verstimmt, nur -,v-eil die Regelung
nicht auf Grund der einzig interessierenden Meßgröße, der Abkühlungsgröße, erfolgt.
Mit anderen Worten, es kann die Temperatur ohne jede Einbuße an Behaglichkeit um
gewisse Werte sch-vanken, wenn die Feuchtigkeit oder die Luftbewegung das Klima
in der umgekehrten Richtung beeinflußt. Beispielsweise kann durch erhöhte Feuchtigkeit
eine gewöhnlich als zu kalt angesehene Luft den günstigsten Wert der Abkühlungsgröße
darstellen, -so daß es im Falle einer selbsttätigen Regelung fälsch wäre, durch
Verstellen .der Regelorgane das Klima ändern zu wollen.
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Es ist an sich ganz selbstverständlich, daß die verwickelte Funktion
des Klimas in der Empfindung des Menschen rein skalar, nämlich durch den Energieentzug
der Haut dargestellt werden kann; denn dieser Energieentzug durch Leitung, Strahlung,
Luftbewegung, Luftdruck und Verdampfung von Wasser ist physiologisch .die einzig
entscheidende Größe. Der Mensch fühlt sich am "vohlsten bei einem bestimmten Energieentzug,
der einem bestimmten Wert der Abkühlungsgröße entspricht. Bei einem erhöhten Wert
der Abkühlungsgröße empfindet er die Luft als zu kalt, zu trocken oder zu zugig,
bei geringerem Wert der Abkühlungsgröße zu warm, zu feucht oder zu wenig bewegt.
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Es ist bekannt, daß man die Abkühlungsgröße in der Weise bestimmen
kann, daß .die von einem Flüssigkeitsthermometer in einer gewissien Zeit abgegebene
Wärmemenge gemessen wird, indem man dieses mittels eines elektrischen Stromes auf
eine gleichbleibende Temperatur aufheizt. Zu diesem Zweck kann z. B. mittels eines
Wattstundenzählers die in der bitreffenden Zeit von dem Heizstrom gelieferte Arbeit
gemessen werden, die der durch die Heizvorrichtung aufgenommenen Wärmemenge entspricht.
Unter der Voraussitzung einer gleichbleibenden Anschlußspannung kann statt eines
Wattstundenzählers auch ein Amperestundenzähler zum Messen der Arbeit bzw. der Wärmemenge
benutzt werd; n. Dabei erhält man Werte, .die der Abkühlungsgröße entsprechen, wenn
man den Stand des Zählers jeweils in gleichbleibenden Zeiträumen abliest.
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Demgegenüber ermöglicht die vorliegende Erfindung eine unmittelbare
fortlaufende Ablesung oder Aufzeichnung der Abkühlungsgröße .durch Aufheizung eines
Körpers auf eine bestimmte Temperatur unter Verwendung eines grobstufig arbeitenden
selbsttätigen Temperaturreglers, wobei gemäß der Erfindung der Mittelpunkt der dem
Temperaturregler zugeführten Heizleistung durch ein Meßgerät erfaßt wird, dessen
Masse mit einer solchen Trägheit behaftet ist, daß es den schnellen stufenweisen
Änderungen der Heizleistung nicht folgt.
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In Fig. r ist ein Beispiel für die Verwirklichung der Erfindung dargestellt.
z ist ein Hohlzylinde:-, der mit einer verdampfenden Flüssigkeit 2 gefüllt ist.
Innerhalb des Hohlzylinders befindet sich ein Rohr 3, in dem eine Heizwicklung q.
untergebracht ist. Die Zuleitung der Heizwicklung geht über einen Schalter 5, der
von einer Membrandose 6 gesteuert wird. Ist die Temperatur des Zylinders unterhalb
eines gewünschten Wertes, beispielsweise unterhalb der Temperatur der menschlichen
Haut, so ist der Stromkreis der Heizvorrichtung geschlossen, und -der die verdampfende
Flüssigkeit enthaltende Zylinder erwärmt sich. Infolge des zunehmenden Dampfdruckes
der Flüssigkeit 2 auf .die Druckmembran 6 wird beim überschreiten der gewünschten
Temperatur die Heizleistung über den Schalter 5 ausgeschaltet.
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Wie in Fig.2 dargestellt, ist nun in Reihe mit der Heizeinrichtung
des Zylinders z eine. Heizwicklung 7 angeordnet, die einen Körper 8 erwärmt. Gibt
man dem Körper 8 eine gewisse Wärmeträgheit, so nimmt er eine Übertemperatur an,
die den verhältnismäßig schnellen Temperaturschwankungen durch die Ein- und Ausschaltzeiten
der Heizleistung nicht folgt, sondern einen Mittelwert bildet. Damit die Übertemperatur
des derartig aufgeheizten wärmeträgen Körpers 8 ein wirkliches Maß für die aufgewendete
Leistung ist, unbeeinflußt von den Wärmeübergangsbedingungen, denen der Körper ausgesetzt
ist, wird vorzugsweise die Anordnung so getroffen, daß derWärmeaustausch des aufgeheizten
Körpers 8 mit der Umgebung vorzugsweise nur durch Wärmeleitung entsteht, nicht aber
durch Konvektion, da dieGröße dieses Energieaustausch,es vom atmosphärischen Druck
abhängig wäre.
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Benutzt man Flüssigkeiten oder Gase als wärmeleitende Verbindungen
zwischen dem aufzuheizenden wärmeträghzitsbehafteten Körper 8 und einem Mantel 9,
so muß man durch genügend enge Ausbildung der Zwischenräume und senkrechte Lagerung
des Gerätes dafür sorgen, daß die Konvektion gegenüber der Wärmeleitung von unterg:ordneter
Bedeutung ist. Auf diese Weise gelingt es, die Übertemperatur des wärmeträgen Innenkörpers
gegenüber der äußeren Urrihüllung als unmittelbares Maß für die mittlere Heizenergie
und damit auch der Heizenergie des Gebers zu benutzen. Die Übertemperatur des Innenkörpers
ist also ein Maß für die Abkühlungsgröße. Da die Wärmeleitfähigkeit im allgemeinen
in irgendeiner Weise von der Temperatur abhängt, so ist die Übertemperatur noch
mit einem Fehler behaftet. Erfindungsgemäß läßt sich dieser leicht dadurch beheben,
daß der gesamte Wärmnefluß von dem Innenkörper zum Außenkörper über mindestens zwei
verschiedene Stoffe erfolgt, deren Wärmeleitfähigkeit verschieden temperatumbhängig
ist,
und zwar derart, daß der Wärmeübergang durch den einen Stoff mit steigender Temperatur
steigt, durch den anderen mit steigender Temperatur fällt. Die Einrichtung wird
derart getroffen, daß der Gesamtwärmeübergangswiderstand vom Innenkörper zum Außenkörper
unabhängig von der Außentemperatur ist und die Übertemperatur daher ein strenges
Maß für die aufgenommene Leistung bildet. Praktisch verwirklicht man dies dadurch,
daß man z. B. Luft als den einen Wärmeträger längs der Zylinderfläche des Innenkörpers
benutzt und zum Befestigen des Innenkörpers am Außenkörper einen Stoff mit negativer
Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur wählt, beispielsweise Sinterkorund.
In .der Fig. 2 ist dieser Wärmeleitwiderstand mit io bezeichnet.
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Besteht die Aufgabe in der Anzeige oder Registrierung der Abkühlungsgröße,
so wird vorzugsweise mit Thermoelementen der Temperaturunterschied zwischen Innen-
und Außenkörper 8 und 9 gemessen. Wird .dagegen die Reglung einer Zustandsgröße
nach der Abkühlungsgröße gewünscht, so kann man vorzugsweise gemäß der Erfindung
den Unterschied der Wärmeausdehnung der beiden konzentrischen Körper unmittelbar
zum mechanischen Betätigen elektrischer Kontakte, vorzugsweise Vakuumkontakte, benutzen.
Man erhält damit die Möglichkeit, große Schaltleistungen, wie sie zum Schalten elektrischer
Heizungen oder zum Verstellen von Klappengetrieben benötigt werden, unmittelbar
über diesen Schalter zu steuern.
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Eine Ausführungsform des zugehörigen Empfängers ist in Fig. 3 näher
dargestellt. Die Bedeutung der Bezeichnungen 7 bis io ist bereits in der Beschreibung
zu Fig.2 erklärt worden. 15 ist ein Thermoelement, dessen eine Lötstelle in dem
Innenkörper und dessen andere Lötstelle in dem Anguß 16 des Außenkörpers 9 angeordnet
ist. In dem Kopf des Gerätes ist ein Vakuumschalter 17 vorgesehen, der von den sich
verschieden ausdehnenden Rohren 8 und 9 nach Maßgabe ihrer Temperaturdifferenz über
.den Hebel 18 geschaltet wird. Der Schalter wird beispielsweise derart veränderbar
angeordnet, daß die ,Schaltung bei einer wählbaren Temperaturdifferenz erfolgt.
Außerdem sind in dem Kopf des Gerätes die nichtdargestellten Klemmen für das Thermoelemient
zum Anschluß des Empfangsmeßgerätes und für die Heizwicklung 7 zum Anschl.uß an
ein Leitungsnetz bzw. den Geber nach Fig. 2 untergebracht. Dabei verwendet man zweckmäßig
Mehrfach-Thermoelemente. Der Empfänger wird zweckmäßig nahe dem Empfangsmeßgerät
aufgestellt. Seine Entfernung von Geber geht ebenso wie die Höhe der Heizspannung
nicht in die Messung ein, da diese auf einem Vergleich der Energien im Geber und
Empfänger beruht.
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Eine andere Ausführungsform des .Empfängers besteht in der Anwendung
eines üblichen Wattstundenzählers, der die Leitung über eine Zeit integriert, die
möglichst viele Schaltperioden des Gebers umfaßt. Vergleicht man die Drehzahl dieses
Zählers mit der Drehzahl einer spannungsunabhängig stets die gleiche Geschwindigkeit
aufweisenden Zählerscheibe eines sogenannten Zeitzählers, indem man sie beispielsweise
über ,ein Differentialgetriebe gegeneinander wirken läßt, so ist die Drehzahl der
Differentialwelle nur von der Abkühlungsgröße abhängig.
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Der Mittelwert der Heizleistung wird auch bei dieser Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes durch ein Meßgerät erfaßt, dessen Masse mit einer solchen
Trägheit behaftet ist, daß es den schnellen. stufenweisen Änderungen der Heizleistung
nicht folgt, da die Massenträgheit der Zählerscheibe bei der üblichen Ausführung
der Wattstundenzähler einschließlich der Getriebeteile stets genügend groß ist.
Dabei wird die Heizleistung durch die Bewegung des Differentialgliedes des Differentialgetriebes
erfaßt, während die Bewegung der Zählerscheibe des Wattstundenzählers an sich nur
der betreffenden Arbeit entspricht.
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Man kann nun die Drehzahl des Zeitzählers durch Anordnung von Widerständen
einstellbar machen, wobei man jedem einzustellenden Wert der Abkühlungsgrößfe einen
bestimmten Widerstandswert zuordnet. Jeder Einstellung entspricht also ein bestimmter
Wert der Abkühlungsgröße, bei dem die Differentialwelle di-e GeschwindigkeitNull
aufweist. Beim Unter- oder Überschreiten des gewünschten Wertes der Abkühlungsgröße
gegenüber ihrem Sollwert dreht sich die Differentiahvelle in der einen oder anderen
Richtung und betätigt dadurch an ihr angebrachte Kontakte, die durch entsprechende
kegeleng den gewünschten Zustand der Atmosphäre wiederherstellen.
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Einen besonderen Vorteil erlangt die Regelung ,der Abkühlungsgröße
und -insbesondere die Regelung mit dem beschriebenen Gerät dann, wenn, wie gewöhnlich,
das Klimaeines Raumes nicht einheitlich ist, sondern von der Lage des Meßpunktes
im Raum abhängt. Während man bisher bei der Temperaturregelung von Räumen oft mit
der Schwierigkeit zu rechnen hatte, daß das mehr oder minder willkürlich in den
Raum gesetzte Regelgerät die Raumregelung unbefriedigend ausführt, wenn die Abweichung
des Klimas an den einzelnen Punkten des Raumes besonders groß wird, z. B. durch
Öffnen eines Fensters in der Nähe .des Reglers, man jedoch nicht nach d= Mittelwert
mehrere Regler regeln konnte, ist dies gemäß der Erfindung bei Anwendung des neuen
Gerätes möglich. Man schaltet mehrere Geräte nach Fig. q. derart, daß eine beliebige
Anzahl von Gebern die für ihre Temperaturkonstanz erforderliche Heizleistung zu
gleichen Anteilen auf das die Temperaturdifferenz messende Gerät übertragen. Dessen
innerer Zylinder 8 erhält so viele Wicklungen ii gleichen Widerstandes, als Geber
12 vorhanden sind. Die ,Methode ist auch geeignet, für ein ganzes Gebäude ein Mischklima
herzustellen. Bisher konnte man die Zentralheizung eines Gebäudes selbsttätig nur
nach .der Temperatur in einem einzigen Zimmer regeln. Nach der beschriebenen Methode
kann man ein beliebig gezogenes Mischklima ermitteln durch Anordnung der Geber in
beliebig vielen Räumen. Man kann auch durch ungleiche Widerstandswicklungen dem
einen oder
anderen Geber ein großes, z. B. das doppelte Gewicht
bei der Mittelwertbildung zuerteilen. Ferner kann man verschiedene Geber auf denselben
Heizwiderstand im Temperaturdifferenzmeßgerät 8 umschaltbar anordnen. Man erhält
auf diese Weise ein den verschiedensten Umständen gerecht werdendes Mischklima.
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Das Verfahren der Dauermessung, Registrierung oder Regelung der Abkühlungsgröße
ist insofern von großer Wichtigkeit, als .damit die einzelnen Komponenten wesentlich
einfacher erfaßt werden können als durch die getrennte Messung der Lufttemperatur,
.der Strahlung der Begrenzungswände, der relativen Feuchtigkeit und der Luftgeschwindigk
Bit. Da beispielsweise die relative Feuchtigkeit in ,das Raumklima nur in einem
Maße eingeht, wie es mit genügender Genauigkeit und ohne zusätzlichen Aufwand durch
einfache Benetzung des sogenannten Kata-Thermometers ?:rfaßt wird, so vermeidet
man die Nachteile, die sonst genauen Psychrometern dadurch anhaften, daß der Einfluß
der Luftgeschwindigkeit und insbesondere der Temperatur in umständlicher Weise ausgeglichen
werden muß. Die Abhängigkeit der psychometrischen Temperaturdifferenz von der Luftgeschwindigkeit
und von der Temperatur soll gerade in die Messung eingehen, da die Wärmeabgabe der
menschlichen Haut durch diese Einflußgrößen ebenfalls beeinflußt wird, und zwar
bestimmungsgemäß in demselben Maße wie die Abkühlungsgröße.
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Nun beobachtet man, daß die menschliche Haut eine psychrometrische
Differenz aufweist, die -wesentlich geringer ist als die eines gewöhnlichen Psychrometers.
Erfindungsgemäß benutzt man daher als feuchtigkeitsabgebende Hülle des Thermometers
einen derartigen Stoff, der die gleiche Wasserabgabe aufweist wie die menschliche
Haut. Die zur Verdampfung kommende Wassermenge darf daher nicht widerstandslos an
der Oberfläche der feuchtigkeitabgebenden Schicht austreten, sondern muß Diffusionswiderstände
überwinden, so d.aß von der Gesamtoberfläche nur ein verhältnismäßig kleiner Bruchteil
benetzt ist, und daher auch nur ein entsprechender Bruchteil Wassers verdampfen
kann. Die Oberfläche der menschlichen Haut auf dem Kata-Thermometer wird erfindungsgemäß
:dadurch nachgeahmt, daß durch eine an sich wasserdampfundurchlässige Hülle durch
Anbringung von Löchern in ihrer Oberfläche die Verdampfung des Wassers der Wasserabgabe
der menschlichen Haut unter sonst gleichen Umständen entspricht.
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Das Kata-Thermometer nach Fig. i ist mit einer die Luftfeuchtigkeit
berücksichtigenden Zusatzeinrichtung versehen, die aus einem Docht 13 besteht, der
den temperaturempfindlichen Hohlzylinder i umgibt und noch mit einer weiteren, die
Verdampfung herabsetzenden Hülle umgeben sein kann. Der Docht taucht mit seinem
unteren Ende in ein Wassergefäß 14, das gleichzeitig als Träger des ganzen Gerätes
dienen kann.
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Es hat sich ergehen, daß Kata-Thermo,m@eter auch bei Luftaufbereitungsanlagen
Verwendung finden könnten, die nicht hygienischen Zwecken dienen. Ungefähr dieselben
Verhältnisse herrschen z. B. auf dem Gebiet der Lagerung von Lebensmitteln, und
man kann mit dem Begriff der Behaglichkeit die Regelung derartiger Luftaufbereitungsanlagen
verbessern in derselben Weise wie für hygienische Zwecke..
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Die Anwendung des Erfindungsgegenstandes als Regler geschieht gemäß
dem anfangs Gesagten dadurch, daß er selbsttätig nur eine der das Klima bedingenden
Veränderlichen nach einem Bestwert der Abkühlungsgröße hin verändert, vorzugsweise
die im Betrieb billigste. Hat diese Größe einen sonstwie bestimmten Grenzwert erlangt,
so wird durch vorgesehene Grenzwertregler die Regelung umgeschaltet auf eine weitere
der das Klima bedingenden Veränderlichen, vorzugsweise die zweitbilligste im Betrieb.
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Im Sommer wird man z. B. die Luftgeschwindigkeit eines Raumes, die
am billigsten zu verändern ist, bis zur Grenze des Möglichen erhöhen, um den Wert
der Abkühlungsgröße zu vergrößern, d. h. auf seinen Sollwert zu bringen. Erst :dann
wird entweder die Feuchtigkeit oder die Temp-Iratur durch besondere :Maßnahmen,
z. B. durch Einschalten und Regeln der betr-Iffenden Maschinen mittels des Regelkontaktes
17, vermindert.
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Die Abschaltung der .betreffenden, den Wert der Abkühlungsgröße vermindernden
Klimatisierungseinrichtung erfolgt selbsttätig, sobald die Abkühlungsgröße ihren
Sollwert aufweist. Dadurch ergibt sich der denkbar billigste Betrieb von Klimatisierungseinrichtungen.