Charakterystyki elementów rozszerzalnych i budowa elementu rozszerzalnego termostatu

Charakterystyki elementów rozszerzalnych

Są dwie podstawowe charakterystyki:

• charakterystyka stromo-nachylona, łamana 

• charakterystyka liniowa 

Charakterystyka elementu rozszerzalnego jest dobierana dla określonego zastosowania. Każda z nich cechuje się wielkościami wyróżnionymi na zdj. 1, a opisanymi poniżej.

Temperatura początku otwarcia (Tpo).

Jest to temperatura, przy której trzpień roboczy wysuwa się z położenia początkowego o 0,1 mm. Tę wielkość wysunięcia przyjmuje się umownie za początek otwarcia np. zaworu termostatu, który otwiera przepływ płynu chłodzącego przez chłodnicę.

Zakres regulacji temperatury (ZRT).

Jest to zakres temperatury, w którym dany element rozszerzalny prowadzi regulację temperatury - dla tego zakresu temperatury jest skonstruowany. Zakres ten zaczyna się temperaturą początku otwarcia (Tpo) a kończy temperaturą:

• dla charakterystyki stromo-nachylonej, łamanej - odpowiadającej punktowi, w którym zmienia się kąt nachylenia linii charakterystyki;

• dla liniowej - odpowiadającej punktowi, w którym jest osiągana założona wartość skoku regulacyjnego (hr).

Zakres regulacji temperatury wynosi przeciętnie od 12 do 15OC.

Maksymalna temperatura pracy (Tmax).

Jest to maksymalna temperatura, w której dany element rozszerzalny może pracować. Jej wartość zależy od zakresu temperatur pracy, dla którego dany element rozszerzalny został zaprojektowany.

Skok trzpienia roboczego w zakresie regulacji, tzw. regulacyjny (hr).

Jest to skok trzpienia roboczego odpowiadający zakresowi regulacji temperatury (ZRT). Jego wartość wynosi od 3 do 15 mm.

Dodatkowy skok trzpienia roboczego (hd).

Jest to różnica pomiędzy wysunięciem trzpienia roboczego przy maksymalnej temperaturze pracy a wysunięciem przy górnej temperaturze zakresu regulacji. Dodatkowy skok trzpienia roboczego pozwala uzyskać np. zwiększenie otwarcia zaworu, dla zmniejszenia niebezpieczeństwa przegrzania silnika, po przekroczeniu górnej granicy dopuszczalnego zakresu regulacji temperatury.

Maksymalny skok trzpienia roboczego (hmax).

Jest to suma skoku trzpienia roboczego w zakresie regulacji (hr) i dodatkowego skoku trzpienia roboczego (hd). Jego wartość wynosi od 7 do 25 mm.

Histereza charakterystyki (H).

Jeśli charakterystyka elementu rozszerzalnego jest wyznaczana przy wzroście temperatury a następnie powtórnie przy obniżaniu temperatury, to przy wzroście temperatury, te same wartości skoku trzpienia roboczego elementu rozszerzalnego występują przy wyższych wartościach temperatury niż przy obniżaniu temperatury. Tę różnicę temperatur, dla każdej wartości skoku trzpienia elementu rozszerzalnego, nazywamy histerezą. Jej przyczyną są siły tarcia, występujące pomiędzy ruchomymi częściami elementu rozszerzalnego.

Budowa elementu rozszerzalnego termostatu

Element rozszerzalny jest podstawową częścią termostatu. Są dwa typy:

• element rozszerzalny z wkładką z elastomeru (zdj. 2)

• element rozszerzalny z membraną (zdj. 3)

Metalowa obudowa elementu rozszerzalnego jest wypełniona parafiną. Dla zwiększenia przewodnictwa cieplnego, do parafiny jest dodany metalowy proszek. Parafina jest ogrzewana energią cieplną pobieraną od medium (ciecz lub gaz) otaczającego element rozszerzalny. Gdy zostanie osiągnięta temperatura topnienia parafiny, zaczyna się zmiana jej stanu skupienia, ze stałego w ciekły. Wzrasta również objętość parafiny, co zwiększa ciśnienie parafiny pp, dlatego obudowa musi być ona odpowiednio wytrzymała. Gdy siła pochodząca od ciśnienia parafiny pp będzie większa od siły powrotnej sprężyny Fs1, trzpień zaczyna się wysuwać. W elemencie rozszerzalnym z wkładką z elastomeru, parafina naciska na trzpień roboczy za jej pośrednictwem.

W elemencie rozszerzalnym z membraną ciśnienie parafiny pp działa na membranę. Jej ruch jest przenoszony na trzpień roboczy pośrednictwem tzw. przełożenia hydraulicznego. Wykorzystana jest tu zasada, zgodnie z którą objętość substancji wypełniającej przestrzeń (producent nie podaje jej rodzaju), przetłoczonej w następstwie ruchu membrany, jest równa objętości substancji, która dopływa pod trzpień roboczy i wymusza jego ruch. Jeśli powierzchnia przekroju trzpienia roboczego jest mniejsza niż powierzchnia czynna membrany, to skok trzpienia roboczego będzie większy niż skok membrany.

Temperatura parafiny

Wzrost temperatury parafiny, ponad temperaturę topnienia, powoduje dalszy wzrost objętości i ciśnienia parafiny pp, co powoduje większe wysunięcie h trzpienia roboczego. Dla uzyskania pożądanej charakterystyki elementu rozszerzalnego, czyli pożądanej wartości wysunięcia trzpienia roboczego przy określonej temperaturze elementu rozszerzalnego, wraz ze wzrostem wartości wysunięcia trzpienia roboczego elementu rozszerzalnego rośnie siła sprężyny powrotnej, np. od wartości Fs1 do Fs2, aby zrównoważyć siłę pochodzącą od ciśnienia parafiny pp, rosnącego ze wzrostem temperatury.

Gdy temperatura płynnej parafiny zmniejsza się, jej objętość i ciśnienie maleją. Trzpień roboczy powraca w kierunku pozycji początkowej pod wpływem siły sprężyny zewnętrznej.

Skład parafiny jest tak dobierany, aby:

• topiła się w określonej temperaturze;

• w stanie ciekłym, wzrost jej temperatury o każdy stopień Celsjusza (lub Kelwina - to są takie same wzrosty), powodował wzrost objętości w stopniu wymaganym dla uzyskania pożądanej charakterystyki.

Element rozszerzalny jest bezobsługowy. Zasada jego działania nie zmieniła się od lat pięćdziesiątych. Elementy rozszerzalne o nią oparte, są wykorzystywane w najbardziej wymagających zastosowaniach. Obecnie do ich budowy w mniejszym stopniu używa się mosiądzu, a więcej aluminium i tworzyw sztucznych. Elementy rozszerzalne są produkowane w różnych wykonaniach o różnych charakterystykach. 

O jakości elementu rozszerzalnego świadczą:

• precyzja ruchu trzpienia roboczego;

• powtarzalność charakterystyki;

• niezawodność.