Восковой термостатический элемент

Восковой термостатический элемент был изобретен в 1934 году Сергием Верне (1899–1968). ^[1] Его основное применение — автомобильные термостаты, используемые в системе охлаждения двигателя. Первые применения в водопроводной и отопительной промышленности были в Швеции (1970 г.) и Швейцарии (1971 г.).

Восковые термостатические элементы преобразуют тепловую энергию в механическую, при их плавлении используя тепловое расширение восков . Этот принцип воскового двигателя также находит применение помимо систем охлаждения двигателя, включая термостатические радиаторные клапаны систем отопления , сантехнику, промышленность и сельское хозяйство .

Автомобильные термостаты

Термостат охлаждения двигателя внутреннего сгорания поддерживает температуру двигателя вблизи оптимальной рабочей температуры , регулируя поток охлаждающей жидкости в радиатор с воздушным охлаждением . Теперь это регулирование осуществляется внутренним термостатом. Удобно, что чувствительный элемент термостата и его регулирующий клапан могут быть размещены в одном и том же месте, что позволяет использовать простой автономный термостат без питания в качестве основного устройства для точного контроля температуры двигателя. ^[2] Хотя большинство автомобилей теперь оснащены электрическим вентилятором охлаждения с регулируемой температурой, «самостоятельный поток воздуха может обеспечить достаточное охлаждение до 95% времени». ^[3] и поэтому такой вентилятор не является механизмом первичного регулирования внутренней температуры.

Исследования 1920-х годов показали, что износ цилиндров усугубляется конденсацией топлива при его контакте с холодной стенкой цилиндра, которая удаляет масляную пленку. Разработка автоматического термостата в 1930-х годах решила эту проблему, обеспечив быстрый прогрев двигателя. ^[4]

Первые термостаты использовали герметичную капсулу с органической жидкостью с температурой кипения чуть ниже желаемой температуры открытия. Эти капсулы были выполнены в виде цилиндрического сильфона. Когда жидкость внутри капсулы закипела, сильфон капсулы расширился, открыв пробковый клапан из листовой латуни внутри термостата. ^[5]^[6] Поскольку эти термостаты могли выйти из строя при эксплуатации, их спроектировали так, чтобы их можно было легко заменить во время обслуживания, обычно их устанавливали под выпускным патрубком для воды в верхней части блока цилиндров. К счастью, это была также самая горячая доступная часть контура охлаждения, обеспечивающая быструю реакцию при прогреве.

Контуры охлаждения имеют небольшой обходной путь, даже когда термостат закрыт, обычно через небольшое отверстие в термостате. Это обеспечивает достаточный поток охлаждающей воды для нагрева термостата при прогреве. Это также обеспечило путь выхода захваченного воздуха при первом заполнении системы. Часто предусмотрен обходной канал большего размера через блок цилиндров и водяной насос, чтобы обеспечить равномерное распределение возрастающей температуры. ^[5]

Работы по охлаждению высокопроизводительных авиационных двигателей в 1930-х годах привели к внедрению систем охлаждения под давлением , которые стали обычным явлением на послевоенных автомобилях. Поскольку температура кипения воды увеличивается с увеличением давления, эти системы под давлением могут работать при более высокой температуре без кипения. Это увеличило как рабочую температуру двигателя и, следовательно, его эффективность, так и теплоемкость охлаждающей жидкости, что позволило использовать системы охлаждения меньшего размера, требующие меньше мощности насоса. объемную ^[6] Недостатком сильфонного термостата было то, что он также был чувствителен к изменениям давления, поэтому иногда его можно было снова принудительно закрыть из-за давления, что приводило к перегреву. ^[6] Более поздний тип восковых гранул имеет незначительное изменение внешнего объема и поэтому нечувствителен к изменениям давления. ^[6] В остальном он идентичен по действию предыдущему типу. Многие автомобили 1950-х годов или ранее, которые изначально были построены с сильфонными термостатами, позже обслуживались с использованием сменных восковых капсульных термостатов, не требуя каких-либо изменений или адаптации.

В этой наиболее распространенной современной форме термостата теперь используется восковая таблетка внутри герметичной камеры. ^[6] Вместо перехода жидкость-пар в них используется переход твердое тело-жидкость, который для восков сопровождается значительным увеличением объема. Воск тверд при низких температурах, а по мере нагревания двигателя воск плавится и расширяется. Герметичная камера приводит в действие стержень, который открывает клапан при превышении рабочей температуры. Рабочая температура фиксирована, но определяется конкретным составом воска, поэтому доступны термостаты этого типа для поддержания различных температур, обычно в диапазоне от 70 до 90 ° C (от 160 до 200 ° F ). ^[7] Современные двигатели работают при температуре выше 80 °C (180 °F), чтобы работать более эффективно и снизить выбросы загрязняющих веществ.

Пока термостат закрыт, поток охлаждающей жидкости в контуре радиатора отсутствует, и вместо этого охлаждающая вода перенаправляется через двигатель, что позволяет ему быстро прогреться, а также избежать перегрева. Термостат остается закрытым до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет номинальной температуры открытия термостата. Затем термостат постепенно открывается по мере того, как температура охлаждающей жидкости увеличивается до оптимальной рабочей температуры, увеличивая поток охлаждающей жидкости в радиатор. Как только достигается оптимальная рабочая температура, термостат постепенно увеличивает или уменьшает свое открытие в ответ на изменения температуры, динамически балансируя поток рециркуляции охлаждающей жидкости и поток охлаждающей жидкости в радиатор, чтобы поддерживать температуру двигателя в оптимальном диапазоне с учетом тепловой мощности двигателя и скорости автомобиля. и внешней температуры окружающей среды изменение . В нормальных условиях эксплуатации термостат открыт примерно на половину своего хода, поэтому он может открываться дальше или уменьшать свое открытие, чтобы реагировать на изменения условий эксплуатации. Правильно спроектированный термостат никогда не будет полностью открыт или полностью закрыт при нормальной работе двигателя, иначе может произойти перегрев или переохлаждение.

Двигатели, которым требуется более строгий контроль температуры, поскольку они чувствительны к «тепловому удару», вызванному скачками охлаждающей жидкости, могут использовать систему «постоянной температуры на входе». В этой схеме охлаждение на впуске двигателя контролируется термостатом с двойным клапаном, который смешивает рециркуляционный поток датчика с потоком охлаждения радиатора. В них используется одна капсула, но имеются два диска клапана. Таким образом достигается очень компактная и простая, но эффективная функция управления.

Двухклапанный термостат также может регулировать подачу охлаждающей жидкости в карбюратор: пока температура охлаждающей жидкости относительно низкая, карбюратор будет прогреваться, что еще больше ускоряет прогрев двигателя.

Воск, используемый в термостате, специально изготовлен для этой цели. В отличие от стандартного парафина , который имеет относительно широкий диапазон длин углеродных цепей, воск, используемый в термостатах, имеет очень узкий диапазон углеродных цепей молекул . Протяженность цепочек обычно определяется характеристиками плавления, требуемыми для конкретного конечного применения. Для производства продукта таким способом требуется очень точная степень дистилляции .

Типы элементов

Плоский мембранный элемент

Материал, чувствительный к температуре, содержащийся в чашке, передает давление на поршень посредством диафрагмы и заглушки, плотно удерживаемых направляющей. При охлаждении исходное положение поршня достигается с помощью возвратной пружины. Плоские мембранные элементы особенно отличаются высоким уровнем точности и поэтому в основном используются в санитарно-технических установках и отоплении.

Сжимающие-толкающие элементы

Элементы Squeeze-Push содержат втулку из синтетического каучука , имеющую форму «пальца перчатки», окружающую поршень. По мере повышения температуры давление расширения термостатического материала перемещает поршень с боковым сжатием и вертикальным толчком. Как и в случае с плоским мембранным элементом, поршень возвращается в исходное положение с помощью возвратной пружины. Эти элементы немного менее точны, но обеспечивают более длинный ход.

Характеристики

Ход – это движение поршня относительно его начальной точки. Идеальный ход соответствует температурному диапазону элементов. В зависимости от типа элемента он может варьироваться от 1,5 мм до 16 мм.

Диапазон температур лежит между минимальной и максимальной рабочей температурой элемента. Элементы могут выдерживать температуры в диапазоне от -15 °C до +120 °C. Элементы могут перемещаться пропорционально изменению температуры в некоторой части диапазона или могут внезапно открываться при определенной температуре в зависимости от состава восков. ^{[ нужна ссылка ]}

Гистерезис – это разница между кривой хода вверх и вниз при нагреве и охлаждении элемента. Гистерезис вызван тепловой инерцией элемента и трением между движущимися частями. ^[8]

См. также

Ссылки

^ Верне, Сергиус «Термостат», патент США №. 2 115 501 (подано: 1 октября 1934 г.; выдано: 26 апреля 1938 г.).
^ «Охлаждение двигателя». Автомобильный справочник (3-е изд.). Босх. 1993. с. 413. ИСБН 0-8376-0330-7 . Рекомендуется установить термочувствительный термостат со встроенным расширительным элементом для регулирования температуры.
^ Справочник Bosch и автомобильной промышленности , стр. 414
^ Сэр Гарри Рикардо - Воспоминания и машины: образец моей жизни , Констебль, Лондон, 1968. P218
^ Jump up to: ^а ^б Знай свою машину (5-е изд.). Автокар . 1957. стр. 57–58.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Сетрайт, LJK (1976). «Охлаждение». В Яне Уорде (ред.). Анатомия автомобиля . Орбис. стр. 61–62. ISBN 0-85613-230-6 .
^ Дон Ноулз, Джек Эрьявец Базовое обслуживание и техническое обслуживание автомобилей Cengage Learning, 2004 г. ISBN 1-4018-5208-4 стр. 140
^ «Диаграмма кривой гистерезиса» . Ростра Вернатерм. 2011. Архивировано из оригинала 12 ноября 2010 г. Проверено 2 августа 2012 г.

Внешние ссылки

Vernatherm. Архивировано 3 марта 2016 г. на Wayback Machine — Термические приводы — и другие термостатические средства управления жидкостью — Rostra Vernatherm.
ThermalActuators.com - Термические приводы - Информация о механических функциях и продукция - Термические приводы
Vernet.fr - Термостатические элементы Картриджи Термостаты Электротермический привод
[ http://www.raymot.com
Ysnews.com - Верне основал ведущую компанию в Йеллоу-Спрингс
Верне - 1946 г. Верне основал Vernay Laboratories.
Thermal-actuators.com - Автомобильная промышленность | ТУ-ПОЛИ

[1] Верне, Сергиус «Термостат», патент США №. 2 115 501 (подано: 1 октября 1934 г.; выдано: 26 апреля 1938 г.).

[Bosch,_Cooling,_thermostat-2] «Охлаждение двигателя». Автомобильный справочник (3-е изд.). Босх. 1993. с. 413. ИСБН 0-8376-0330-7 . Рекомендуется установить термочувствительный термостат со встроенным расширительным элементом для регулирования температуры.

[Bosch,_Cooling,_fan-3] Справочник Bosch и автомобильной промышленности , стр. 414

[4] Сэр Гарри Рикардо - Воспоминания и машины: образец моей жизни , Констебль, Лондон, 1968. P218

[Autocar-5] Jump up to: ^а ^б Знай свою машину (5-е изд.). Автокар . 1957. стр. 57–58.

[Setright,_Anatomy_of_the_Motor_Car,_Cooling-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Сетрайт, LJK (1976). «Охлаждение». В Яне Уорде (ред.). Анатомия автомобиля . Орбис. стр. 61–62. ISBN 0-85613-230-6 .

[KE04-7] Дон Ноулз, Джек Эрьявец Базовое обслуживание и техническое обслуживание автомобилей Cengage Learning, 2004 г. ISBN 1-4018-5208-4 стр. 140

[8] «Диаграмма кривой гистерезиса» . Ростра Вернатерм. 2011. Архивировано из оригинала 12 ноября 2010 г. Проверено 2 августа 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]