Termostat
Termostat, fiziksel bir sistemin sıcaklığını algılayan ve sistem sıcaklığının istenen ayar derecesine yakın tutulması için çalışan bir kontrol aracıdır.
Termostatlar, ayar noktası sıcaklığına kadar ısıtan veya soğutan herhangi bir cihazda veya sistemde kullanılır; Termostat, bina ısıtma, merkezi ısıtma, otomobil radyatörleri, klimalar, HVAC sistemleri, su ısıtıcıları, elektrikli ütüler, fırın lar ve buzdolapları dahil mutfak ekipmanı ve tıbbi ve bilimsel kuluçka makinesi vb. yerlerde kullanılır. Bilimsel literatürde, bu cihazlar genellikle termostatik kontrollü yükler (TCL'ler) olarak sınıflandırılır. Termostatik olarak kontrol edilen yükler, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki toplam elektrik talebinin yaklaşık % 50'sini oluşturur.[1]
Termostat, istenen ve ölçülen sıcaklıklar arasındaki hatayı azaltmaya çalıştığı için "kapalı döngü" bir kontrol cihazı olarak çalışır. Bazen termostat, otomotiv termostatı gibi kontrollü bir sistemin hem algılama hem de kontrol öğelerini birleştirir.
İlk bimetalli termostat, 1726'da saatin çeşitli sıcaklık şartlarında çalışmasında hassasiyetini korumak için kullanılmıştır.
Termostat kelimesi Yunanca θερμός "termos", "sıcak" ve στατός "statos", "ayakta, sabit" kelimelerinden türetilmiştir. Termostat kelimesiyse 1830'da, çift metal şeridin sıcaklıkta farklı uzamadan dolayı bükülüp, ısıtma ve soğutma sistemlerini kontrol etmesinde ortaya atılmıştır.
Değişik termostat türleri ortaya çıkmasına rağmen, geliştirilmiş bimetal şeritli termostatlar günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer bir tür genleşme katsayısı az bir boruyla genleşme katsayısı çok bir borunun birer uçlarının birleştirilmesinden oluşur. Borudaki kısalma, çubuğun serbest ucunun hareket ettirerek vanayı veya elektrik düğmesini kapatır. Değişik bir türse, kolay buharlaşan bir sıvının sıcaklığa bağlı olarak değişik basınç oluşturarak çalışır. Buzdolaplarındaki termostat bu tiptendir.
Genel Bakış
Termostat, doğru sıcaklık değerini korumak için ısıtma veya soğutma cihazlarını açıp kapatarak veya bir ısı transfer sıvısının akışını gerektiği gibi düzenleyerek kumanda eder. Termostat, ortam havası kontrolünden otomotiv soğutma sıvısı kontrolüne kadar çeşitli uygulamalarda genellikle ısıtma veya soğutma sistemi için ana kumanda ünitesi olabilir. Termostatlar, ayar noktası sıcaklığına kadar ısıtan veya soğutan herhangi bir cihaz veya sistemde kullanılır. Örnekler arasında bina ısıtma, merkezi ısıtma ve klimalar, fırın ve buzdolabı gibi mutfak ekipmanları ve tıbbi ve bilimsel kuluçka makinesi vardır.
Yapısı
Termostatlar, sıcaklığı ölçmek için farklı sensör türleri kullanır. Bir türünde, bobin şeklindeki bir bimetal şerit olan mekanik termostat, ısıtma veya soğutma kaynağını kontrol eden elektrik kontaklarını doğrudan çalıştırır. Bunun yerine elektronik termostatlar, ısıtma veya soğutma ekipmanına kumanda etmek için yükseltme ve işleme gerektiren termistör veya başka bir yarı iletken sensör kullanır. Isıtma veya soğutma ekipmanın çıkışı, gerçek sıcaklık ve sıcaklık ayar noktası arasındaki farkla orantılı olmadığından termostat "bang-bang kontrolörü" örneğidir. Bunun yerine, ısıtma veya soğutma ekipmanı ayarlanan sıcaklığa ulaşılana kadar tam kapasite ile çalışır ve ardından kapanır. Bu nedenle, termostat ayarı ile istenen sıcaklık arasındaki farkın artırılması, istenen sıcaklığa ulaşmak için gereken süreyi değiştirmez. Hedef sistem sıcaklığının değişebileceği oran, hem ısıtma veya soğutma ekipmanının sırasıyla hedef sisteme veya hedef sistemden ısı ekleme veya çıkarma kapasitesi ve hedef sistemin ısıyı saklama kapasitesi ile belirlenir.
Sıcaklık ayar noktasına yakın olduğunda ekipmanın aşırı hızlı döngüsünü önlemek için termostat bir miktar histerezis içerebilir. Ayarlanan sıcaklıkta anında "açık" dan "kapalı" ya ve tam tersi olarak değişmek yerine, histerezisli bir termostat, sıcaklık ayarlanan sıcaklık noktasını biraz geçene kadar geçiş yapmaz. Örneğin, 2 °C'ye ayarlanmış bir buzdolabı, yiyecek bölmesinin sıcaklığı 3 °C'ye ulaşana kadar soğutma kompresörünü çalıştırmayabilir ve sıcaklık 1 °C'ye düşene kadar çalışmaya devam eder. Bu, belirli bir büyüklükte bir hedef sistem sıcaklığı salınımı ortaya çıkarmasına rağmen, ekipmanın çok sık anahtarlamadan kaynaklanan yıpranma riskini azaltır.
Isıtılan veya klimalı alanlarda oturanların konforunu artırmak için bimetal sensör termostatları, ısıtma ekipmanı çalışırken sıcaklık sensörünü hafifçe ısıtmak veya soğutma sistemi çalışmıyorken sensörü hafifçe ısıtmak için bir "ön tahmin" sistemi içerebilir. Doğru ayarlandığında bu, sistemdeki herhangi bir aşırı histerezi azaltır ve sıcaklık değişimlerinin büyüklüğünü azaltır. Elektronik termostatların elektronik eşdeğeri vardır.[2]
Sensör türleri
İlk teknolojiler, elektrotları doğrudan cama yerleştirilmiş cıva termometreleri içeriyordu. Böylece belirli (sabit) bir sıcaklığa ulaşıldığında kontaklar cıva tarafından kapatılacaktı. Bunlar bir dereceye kadar doğruydu.
Günümüzde kullanılan yaygın sensör teknolojileri şunlardır:
- Bimetal lisanslı mekanik veya elektrikli sensörler.
- Genişleyen balmumu peletleri
- Elektronik termistör ve yarı iletken cihazlar
- Elektrik termokuplar
Bunlar daha sonra şu kumanda yöntemlerini kullanarak ısıtma veya soğutma cihazına kumanda eder:
- Doğrudan mekanik kontrol
- Elektrik sinyalleri
- Pnömatik sinyaller
Tarihçe
Muhtemelen en erken kayıtlı termostat kumanda örnekleri Hollandalı yenilikçi Cornelis Drebbel (1572-1633) tarafından 1620 civarında İngiltere'de yapılmıştır. Kendisi tavuk kuluçka makinesi sıcaklığını düzenlemek için cıvalı bir termostatı icat etti.[3] Bu, kaydedilen ilk geri bildirim kontrollü cihazlardan biridir.
Modern termostat kontrolü 1830'larda bi-metalik termostatı icat eden İskoç kimyager Andrew Ure (1778–1857) tarafından geliştirilmiştir. Zamanın tekstil fabrikalarının optimum şekilde çalışması için sabit ve sürekli bir sıcaklığa ihtiyaçları vardı, bu nedenle Ure, artan sıcaklığa tepki olarak metallerden biri genişlerken bükülen ve enerji beslemesini kesen bimetal termostatı tasarladı.[4]
Wisconsin 'den Warren S. Johnson (1847–1911) 1883'te bi-metal oda termostatının patentini aldı ve iki yıl sonra ilk çok bölgeli termostatik kontrol sistemi için bir patent başvurusunda bulundu.[5][6]
Albert Butz (1849–1905) elektrikli termostatı icat etti ve 1886'da patentini aldı.
Termostatın ilk endüstriyel kullanımlarından biri, kümes hayvanları inkübatörlerinde sıcaklığın düzenlenmesiydi. İngiliz mühendis Charles Hearson, 1879'da kümes hayvanı çiftliklerinde kullanılmak üzere alınan yumurtalar için ilk modern kuluçka makinesini tasarladı. Kuluçka makineleri, doğal olarak yumurtadan çıkan bir yumurtanın deneyimini tam olarak taklit etmesinde sıcaklığı düzenlemek için doğru bir termostat kullandı.[7]
Mekanik termostatlar
Bu, yalnızca tamamen mekanik araçlar kullanarak hem algılayan hem de kontrol eden cihazları kapsar.
Bimetal
Evsel su ve buhar bazlı merkezi ısıtma sistemleri geleneksel olarak bi-metal şeritli termostatlar tarafından kumanda edilir. Tam mekanik kumanda, bireysel akışı düzenleyen yerelleştirilmiş buhar veya sıcak su radyatör bi-metal termostatlarla yapılır. Ancak termostatik radyatör vanası (TRV) artık yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bazı çatı türbin havalandırma deliklerinde damperleri düzenlemek için tamamen mekanik termostatlar kullanılır ve soğukta veya soğuk dönemlerde bina ısı kaybını azaltır.
Bazı oto yolcu ısıtma sistemlerinde su akışını ve sıcaklığını ayarlanabilir seviyede tutmak için termostatik kontrollu bir vana (valf) bulunur. Daha eski araçlarda termostat, hava akışını yönlendirmek için su vanalarını ve kanatçıkları kontrol eden işleticilere motor vakumunun uygulanmasını kontrol eder.
Modern araçlarda vakum işleticileri merkezi bir bilgisayarın kontrolündeki küçük solenoidler tarafından çalıştırılabilir.
Balmumu peleti
Otomotiv
Günümüzde kullanılan tamamen mekanik termostat teknolojisinin belki de en yaygın örneği, soğutucunun hava soğutmalı radyatöre akışını düzenleyerek motoru optimum çalışma sıcaklığı yakınında tutmak için kullanılan içten yanmalı motor soğutma sistemi termostatıdır. Bu tip termostat, belirli bir sıcaklıkta eriyen ve genişleyen bir balmumu peleti içeren kapalı bir bölme kullanarak çalışır. Bölmenin genişlemesi, çalışma sıcaklığı aşıldığında bir valfi açan bir çubuğu çalıştırır. Çalışma sıcaklığı balmumunun bileşimine göre belirlenir. Çalışma sıcaklığına ulaşıldığında termostat, sıcaklık değişikliklerine yanıt olarak açılmasını kademeli olarak artırır veya azaltır, motor sıcaklığını optimum aralıkta tutmak için radyatöre giden soğutma suyu devridaim akışını ve radyatöre giden soğutucu akışını dinamik olarak dengeler.
Tüm Chrysler Group ve General Motors ürünleri dahil birçok otomobil motorunda, termostat ısıtıcı göbeğine akışı kısıtlamaz. Radyatörün yolcu tarafı depo ısıtıcı göbeğinden akan termostata baypas olarak kullanılır. Bu, termostat açılmadan önce buhar ceplerinin oluşmasını önler ve ısıtıcının termostat açılmadan önce çalışmasını sağlar. Diğer bir faydası ise, termostat arızalandığında radyatörde hala biraz soğutucu akışı olmasıdır.
Duş ve diğer sıcak su kontrolleri
Termostatik karışım vanası, sıcak ve soğuk suyun karışımını kontrol etmek için balmumu peleti kullanır. Yaygın bir uygulama, elektrikli su ısıtıcısının Legionella bakterilerini öldürecek kadar (60 °C (140 °F) üzerinde) bir sıcaklıkta çalışmasına izin verirken vananın çıkışı hemen haşlamayacak (49 °C (120 °F)) kadar sıcaklıkta su verir.
Analiz
Balmumu pelet tahrikli vana, genişleme (hareket) - sıcaklık artışı ve büzülme (hareket) - sıcaklık düşüşü ile iki ısıl genleşme eğrisinden oluşan balmumu peletinin histerezis grafiğinin çizilmesiyle analiz edilebilir. Yukarı ve aşağı eğriler arasındaki yayılma, vananın histerezisini görsel olarak gösterir. Katılar ve sıvılar arasındaki faz geçişi veya faz değişimi nedeniyle balmumu tahrikli valflerde her zaman histerez vardır. Histerezis, özel hidrokarbon karışımları ile kumanda edilebilir. Dar aralıklı histerezis en çok istenen şeydir ancak bazı uygulamalar daha geniş aralıklar gerektirir. Balmumu pelet tahrikli valfler, diğerlerinin yanı sıra haşlanma önleme, donma koruması, yüksek sıcaklık temizliği, güneş ısı enerjisi, otomotiv ve havacılık uygulamalarında kullanılır.
Gaz genleşmesi
Termostatlar bazen gaz fırınlarının sıcaklığını ayarlamak için kullanılır. Kontrol birimine ince bir bakır boru ile bağlı gaz dolu bir ampulden oluşur. Ampul normalde fırının üst kısmında bulunur. Tüp, bir diyaframla kapatılmış bir haznede sona erir. Termostat ısındıkça, gaz diyaframa basınç uygulayarak genleşir ve bu da brülöre giden gaz akışını azaltır.
Pnömatik termostatlar
Pnömatik termostat, havalı kumanda borusuyla ısıtma veya soğutma sistemine kumanda eden bir termostattır. Bu "kumanda hava" sistemi, gerektiğinde ısıtma veya soğutmayı çalıştırmak için kumanda borusundaki basınç değişikliklerine (sıcaklık nedeniyle) yanıt verir. Kumanda havası tipik olarak "şebeke" üzerinde 15-18 psi (genellikle 20 psi'ye kadar çalışabilmesine rağmen) tutulur. Pnömatik termostatlar genelde, uçtaki cihaza (valf/damper motoru/pnömatik-elektrik anahtarı, vb.) borulanan 3-15 psi çıkış/branş/sınırlayıcı sonrası (tek borulu çalışma için) basınçlı hava sağlar.[8]
Pnömatik termostat, elektrikli termostatı icat etmesinden kısa bir süre sonra 1895'te[9] Warren Johnson tarafından icat edildi.
2009 yılında Harry Sim, pnömatik kumandalı binaların bina otomasyon sistemleriyle bütünleştirilmesine olanak tanıyan pnömatik-dijital arayüzü[10] için patentle ödüllendirildi ve doğrudan dijital kontrol (DDC) ile benzer faydalar sağladı.
Balmumu pelet tahrikli bir valf(vana), balmumu peletinin iki ısıl genleşme eğrisinden oluşan genişleme (hareket) - sıcaklık artışı ve büzülme (hareket) - sıcaklık düşüşü histerezis grafiğini çizerek analiz edilebilir. Yukarı ve aşağı eğriler arasındaki yayılma, vana histerezisini görsel olarak gösterir; Katılar ve sıvılar arasındaki faz değişikliğinden dolayı balmumu tahrikli teknolojide her zaman histerez vardır. Histerezis, özel hidrokarbon karışımları ile kontrol edilebilir; Dar histerezis çok istenir ancak özel mühendislik uygulamaları daha geniş aralıklar gerektirir. Balmumu pelet tahrikli vanalar haşlanma önleme, donma koruması, aşırı sıcaklıkla temizleme, güneş enerjisi, otomotiv ve havacılık gibi diğer uygulamalarda da kullanılır.
Kaynakça
- ^ Energy Information Administration, ‘‘Residential energy consumption survey,’’ U.S. Dept. Energy, Washington, DC, Tech. Rep., 2001.
- ^ James E. Brumbaugh, AudelHVAC Fundamentals: Volume 2: Heating System Components, Gas and Oil Burners, and Automatic Controls, John Wiley & Sons, 2004 0764542079 pp. 109-119
- ^ "Tierie, Gerrit. Cornelis Drebbel. Amsterdam: HJ Paris, 1932" (PDF). 2 Ekim 2013 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Mayıs 2013.
- ^ "An Early History Of Comfort Heating". The NEWS Magazine. Troy, Michigan: BNP Media. 6 Kasım 2001. 2 Kasım 2014 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2014.
- ^ "Thermostat Maker Deploys Climate Control Against Climate Change". America.gov. 18 Nisan 2009 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ekim 2009.
- ^ "Johnson Controls Inc. | History". Johnsoncontrols.com. 7 Kasım 2007. 20 Aralık 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ekim 2009.
- ^ Falk, Cynthia G. (2012). Barns of New York: Rural Architecture of the Empire State (paperback) (First bas.). Ithaca, New York: Cornell University Press (1 Mayıs 2012 tarihinde yayınlandı). ISBN 978-0-8014-7780-5. Erişim tarihi: 2 Kasım 2014.
- ^ "Dr-Fix-It Explains a Common Pneumatic Comfort Control Circuit". dr-fix-it.com. RTWEB. 2005. 6 Aralık 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2014.
- ^ Fehring, T.H., ed., Mechanical Engineering: A Century of Progress, NorCENergy Consultants, LLC, October 10, 1980 - Technology & Engineering, p. 22
- ^ "Arşivlenmiş kopya" (PDF). 9 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 13 Mart 2021.
