ترموستات
ترموستات ابزاری است که دمای یک سیستم فیزیکی را حس می کند و اقداماتی را جهت ثابت نگه داشتن دمای سیستم در مجاورت نقطه تنظیمی دلخواه انجام می دهد. ترموستات ها در هر وسیله و یا سیستم، به منظور رسیدن به دمای تنظیم شده درجه حرارت را افزایش یا کاهش می دهد. برای مثال می توان به سیستم های زیر اشاره نمود :
- گرمایش ساختمان
- حرارت مرکزی
- سیتسم های HVAC
- آب گرم کن ها
- تجهیزات آشپزخانه از قبیل گاز، فر ، یخچال و….
ترموستات جنرال
ترموستات جنرال، ترموستات فن کویل جنرال از پر کاربرد ترین ترموستات های تنظیم دمای اتاقمی باشد و نسبت به سایر محصولات با همین کارایی ترموستات جنرال از محبوبیت ویژه ای برخوردار است.
ترموستات هانیول
ترموستات هانیول، یکی دیگر از بهترین ترموستات های موجود در بازار ایران ترموستات هانیول است که آی ناین به عنوان نماینده اصلی این برند در ایران فعال دارد، همچنین ترموستات هانیول در مدل های مختلف و در موارد مختلف نیز کاربرد دارد.
اهمیت ترموستات
از لحاظ علمی، این تجهیزات اغلب به عنوان عملکرد کنترلی توسط ترموستات (TCL) طبقه بندی می شود. عملیات کنترلی توسط ترموستات تقریبا 50% از تقاضای کلی برق در ایالات متحده را شامل می شود. (این یعنی تقریبا” نیمی از مصرف انرژی برق ایلات متحده صرف سرمایش یا گرمایش می شود.)
عملکرد ترموستات
یک ترموستات به عنوان یک دستگاه کنترل “حلقه بسته” عمل می کند، چرا که هدف آن کاهش خطا بین دمای مورد نظر و دمای اندازه گیری است. گاهی اوقات یک ترموستات ترکیبی از عناصر حساس و کنترلی همانند ترموستات خودرو می باشد.
نگاه کلی به ترموستات
ترموستات، عملیات کنترل را با تغییر حالت از خاموش به روشن یا بالعکس در دستگاه گرمایش و سرمایش و یا با تنظیم جریان انتقال حرارت سیال تا اندازه مورد نیاز، جهت حفظ دمای مورد نیاز انجام می دهد. ترموستات اغلب کنترل واحد گرمایشی و سرمایشی سیستم در برنامه های کاربردی از کنترل هوای محیط گرفته تا کنترل سرمایش خودرو را در دست دارد. ترموستات ها در هر وسیله و یا سیستمی که از گرمایش و یا سرمایش به منظور رسیدن به دمای تنظیمی نظیر تهویه مطبوع، تجهیزات آشپزخانه و … استفاده می شود، کاربرد دارد.
ساختار ترموستات
ترموستات از انواع سنسور ها جهت اندازه گیری دما استفاده می کند. در یک مدل، ترموستات مکانیکی یک نوار بی متالیک به شکل کوبل به صورت مستقیم اتصالات الکترونیکی را در جهت کنترل منبع گرمایش و سرمایش اداره می کند. در ترموستات های الکترونیکی از یک ترمیستور و یا سنسور نیمه رسانا استفاده می شود که نیاز به تقویت و پردازش کنترلی تجهیزات گرمایشی و سرمایشی دارد. ترموستات نمونه ای از “کنترلر bang-bang” می باشد چرا که خروجی تجهیزات گرمایشی و سرمایشی متناسب با تفاوت دما و دمای تعیین شده نیست. در عوض، تجهیزات گرمایشی و سرمایشی، با ظرفیت کامل تا زمانی که به دمای تنظیمی برسد، عمل می کند و سپس خاموش می شود. افزایش فاصله بین تنظیمات ترموستات و دمای دلخواه، زمان رسیدن به دمای دلخواه را تغییر نمی دهد. نرخی که دمای نهایی سیستم تغییر می کند. به ترتیب جهت اضافه کردن و حذف کردن حرارت به آن و یا از آن تعریف می شود.
نکات ترموستات
جهت جلوگیری از دور سریع تجهیز هنگامی که دما نزدیک دمای تنظیمی است، ترموستات می تواند شامل هیسترسیس باشد. به جای تغییر از حالت “روشن” به “خاموش” و یا برعکس در دمای تنظیمی ، ترموستات مجهز به هیسترسیس تا زمانی که دما کمی از نقطه تنظیمی دما تغییر نکند، سوئیچ نخواهد کرد. برای مثال، یخچال تنظیم شده در دو درجه سانتیگراد ممکن است کمپرسور خنک کننده را تا زمانی که درجه حرارت مواد غذایی آن به 3 درجه سانتی گراد برسد، روشن نکند و تا زمانی که درجه حرارت به پایین تر از 1 درجه سانتیگراد برسد نیز ادامه یابد. این باعث می شود که از سوئیچ مکرر نیز جلوگیری شده که در طولانی مدت مخرب است.
بی متال ترموستات چیست؟
جهت بهبود آسایش ساکنانی که از فضای گرم و یا تهویه هوای مطبوع استفاده می کنند، از سنسور بی متال ترموستات هایی استفاده می شود که شامل سیستم “پیش بینی کننده” می باشد تا به آرامی سنسور دما را گرم کند. هنگامی که تجهیزات گرمایشی عمل می کنند و یا سنسور را به آرامی زمانی که سیستم سرمایشی کار نمی کند، گرم کند. زمانی که به درستی تنظیم می شود، هیستریس بیش از حد در سیستم کاهش می بابد و تغییرات درجه حرارت را کاهش می دهد.
انواع ترموستات
تکنولوژی های اولیه شامل ترموستات های جیوه ای همراه با الکترود بوده که به طور مستقیم از طریق شیشه قرار داده می شود. در همین راستا، هنگامی که به دمای حتمی (ثابت) برسد، تماس با جیوه بسته خواهد شد. تکنولوژی سنسور رایج امروزه شامل موراد زیر می شود:
- سنسور های الکتریکی و یا مکانیکی بی متال
- ترمیناتور الکترونیکی و دستگاه های نیمه هادی
- گسترش ساچمه های وکسی
- ترموکوپل برق
این تجهیزات ممکن است دستگاه های گرمایشی و یا سرمایش را با استفاده از موارد زیر کنترل کند.
- کنترل مکانیکی مستقیم
- سیگنال های برقی
- سیگنال پنوماتیک
ترموستات های مکانیکی دستگاه هایی را پوشش می دهد که برای کنترل و سنسور از ابزار های مکانیکی استفاده می کنند.
بی متال ترموستات
سیستم های گرمایشی مرکزی بخار و آب خانگی به طور سنتی توسط ترموستات های با نوار بی متال کنترل می شود. کنترل دقیق مکانیکی ترموستات بی متال رادیاتور بخار و یا آب گرم که جریان را تنظیم می کند، متمرکز است. ترموستات کاملا مکانیکی جهت تنظیم دمپر در برخی از ونت (Vent) های توربینیو به منظور کاهش تلفات حرارت ساختمان در سرما و یا دوره های سرد مورد استفاده قرار می گیرد.
برخی از سیستم های گرمایشی مسافری اتومبیل دارای شیر کنترل ترموستاتیکی جهت تنظیم جریان آب و دما به یک سطح قابل تنظیم می باشد. در وسایل نقلیه قدیمی، ترموستات عملکرد موتور خلا را کنترل می کند تا اکچوئیتر هایی که شیر های آب و فلاپر ها را کنترل می کنند، جریان هوا را هدایت کنند.
ساچمه وکسی ترموستات
امروزه شایع ترین مثال تکنولوژی ترموستات مکانیکی مصرفی، ترموستات سیستم های سرمایش موتور احتراق می باشد که با تنظیم جریان سرمایشی و یا رادیاتور هواخنک صورت می پذیرد. این مدل ترموستات با استفاده از محفظه مهر و موم شامل یک ساچمه وکسی می باشد که ذوب شده و در یک دمای تنظیمی گسترش می یابد. گسترش محفظه، یک میله را به کار انداخته و شیر را باز می کند و این فرایند تا زمانی که از دمای کاری تجاوز نکند ادامه می پذیرد. دمای کاری با ترکیب وکس تعیین می شود. زمانی که دما به دمای کاری رسید، ترموستات به تدریج بازه خود را با توجه به تغییرات دمایی افزایش و یا کاهش می دهد و یا محدوده دمایی جریان خنک کننده به رادیاتور را جهت حفظ دمای موتور در یک محدوده بهینه، در مقدار متعادلی قرار می دهد.
در بسیاری از موتور های خودرو، از جمله تمامی محصولات کرایسلر و گروه جنرال موتورز، ترموستات جریان را به هسته گرمایشی محدود نمی کند. مخزن جانبی رادیاتور به عنوان یک میانبر به ترموستات استفاده می شود، که از میان هسته گرمایشی عبور می کند. این حالت مانع از تشکیل پاکت های بخاری قبل از این که ترموستات باز شود، می گردد. یکی دیگر از مزایای ترموستات این است که اگر ترموستات به مشکل بر بخورد هنوز جریان از طریق رادیاتور وجود دارد.
کاربرد ترمومستات
شیر مخلوط کننده ترموستاتیک از ساچمه وکسی برای کنترل اختلاط آب گرم و سرد استفاده می کنند. یک عملکرد رایج جلوگیری از کارکرد آب گرمکن های الکتریکی درجه حرارت بالا برای گشتن باکتری های نژیونلا (بیش از 60 درجه سانتیگراد/ 140 درجه فارنهایت) می باشد، در حالی که خروجی آب سرد ب اندازه کافی سرد است که موجب سوختگی شود (49 درجه سانتیگراد/120 درجه فارنهایت.)
آنالیزهای ترموستات
شیر ساچمه وکسی می تواند با گراف هیسترسیس ساچمه وکسی شامل دو نمودار حرارتی آنالیز ترموستات شود. انبساط (حرکت) در مقابل افزایش دما و انقباض ( حرکت) در برابر کاهش دما.
گسترش بین منحنی های بالایی و پایینی به صورت بصری هیسترسیس شیر را نشان می دهد. چراکه به علت تغییر بین فاز جامد و مایع همیشه در تکنولوژی وکس هیسترسیس وجود دارد. هیسترسیس را می توان با ترکیب های مختلط از هیدروکربن ها کنترل گردد. هیسترسیس های متراکم بیشترین مبل را دارند، اما عملیات مهندسی تخصصی نیاز به محدوده وسیع تری دارند. شیر های ساچمه وکسی در عملیاتی مانند ضد سوختگی، حفاظت یخ زدگی، پالایش با دمای بالا، حرارتی خورشیدی و در بسیاری از موارد دیگر در هوافضا استفاده می شود.
گسترش گاز ترموستات
گاهش اوقات ترموستات برای تنظیم اجاق گاز استفاده می شود. در این حالت، ترموستات شامل لامپ از گاز پر شده متصل به یک واحد کنترل توسط لوله مسی باریک و بلند می باشد. لامپ معمولا بالای گاز نصب می شود. لوله توسط یک دیافراگم به محفظه وصل می شود. همانطور که دمای ترموستات بالا می رود و گرم می شود. گاز گسترش می یابد و به دیافراگم فشار وارد می کند که جریان را به مشعل کاهش می دهد.
ترموستات پنوماتیک
ترموستات پنوماتیک ترموستاتی است که سیستم سرمایشی و گرمایشی را توسط سری لوله های پر شده از هوا کنترل می کند. این سیستم “کنترل هوا” به تغییرات فشاری در یک لوله کنترلی ( با توجه به دما) واکنش می دهد تا گرمایش و سرمایش را هر زمان لازم بود به کار بیندازد.
کاربرد ترموستات پنوماتیک
در این هوا معمولا بر روی “main” در 15-18 psi (اگرچه معمولا تا 20psi قابل استفاده است.) نگه داشته می شود. ترموستات های پنوماتیک معمولا خروجی/ انشعاب/ محدوده کننده فشار از 3 تا 15psi (برای عملکرد های تک لوله) ارائه می دهد که یه پایان دستگاه لوله کشی می شود (شیر/ اکچوئیتر دمپر/ سوئیچ پنوماتیک و …) ارائه می دهد.
ترموستات پنوماتیک بلافاصله پس از اختراع ترموستات الکتریکی توسط وارون جانسون در سال 1895 اختراع شد. در سال 2009، حق ثبت اختراع جهت یک رابط پنوماتیک به دیجیتال را می دهد که اجازه می دهد ساختمان پیاده سازی کنند تا مزایای مشابهی را به عنوان کنترل دیجیتال سیستم (DDC) فراهم کنند.
کاربرد شیر ساچمه ای وکسی ترموستات
شیر ساچمه وکسی می تواند با گراف هیسترسیس ساچمه وکسی شامل دو نمودار حرارتی آنالیز شود. انبساط (حرکت) در مقابل افزایش دما و انقباض (حرکت) در برابر کاهش دما.گسترش بین منحنی های بالایی و پایینی به صورت بصری هیسترسیس شیر را نشان می دهد. چراکه به علت تغییر بین فاز جامد و مایع همیشه در تکنولوژی وکس هیسترسیس وجود دارد. هیسترسیس را می توان با ترکیب های مختلط از هیدروکربن ها کنترل گردد. هیسترسیس های متراکم بیشترین مبل را دارند، اما عملیات مهندسی تخصصی نیاز به محدوده وسیع تری دارند. شیر های ساچمه وکسی در عملیاتی مانند ضد سوختگی، حفاظت یخ زدگی، پالایش با دمای بالا، حرارتی خورشیدی و در بسیاری از موارد دیگر در هوافضا استفاده می شود.
ترموستات های الکتریکی و آنالوگ الکتریکی
ترموستات های سوئیچی بی متال
سیستم های گرمایشی مرکزی با آب و بخار به طور سنتی ترموستات نوار بی متال نصب شده بر روی دیوار کنترل می کند. دمای هوا با استفاده از انبساط دیفرانسیلی دو فلز جهت به کار انداختن سوئیچ خاموش/ روشن می باشد. به طور معمول سیستم مرکزی هنگامی که افت دما پایین تر از دمای تنظیمی بر روی ترموستات بیاید روشن می شود و زمانی که بالاتر از آن رود خاموش خواهد شد. سنسور های بی متال در حال حاضر با سنسور های الکترونیک جایگزین شده است. امروزه کاربرد اصلی ترموستات های بی متال در هیتر های همرفتی الکتریکی می باشد که در آن جا کنترل بر اساس دمای هوای محلی و مقدار تعیین شده کاربر به صورت خاموش و روشن می باشد. این نیز در تهویه مطبوع استفاده می شود که در آن کنترل محلی مورد نیاز است.
ترموستات ساده دو سیم
تصویر داخلی یک ترموستات خانگی معمولی دو قطبی که جهت تنظیم بخاری گاز از طریق شیر گازی الکتریک به کار برده می شود، در عکس مشاهده می کنید. مکانیزم های مشابه نیز ممکن است جهت کنترل کوره های نفتی، دیگ های بخار، شیر های دیگ بخار، فن های الکتریکی، کوره های الکتریکی، بخاری های الکتریکی و لوازم خانگی مانند یخچال و فریزر، قهوه ساز و سشوار های مو استفاده می شود. قدرت ترموستات از طریق دستگاه گرمایشی تامین می شود. و ممکن است محدوده ای یک میلی ولت تا 240 ولت در ساخت و ساز آمریکای شمالی داشته باشد و برای کنترل سیستم گرمایشی به صورت مستقیم (بخاری های الکتریکی و بعضی از کوره های الکتریکی) و یا غیر مستقیم (تمامی سیستم های گاز و نفت و آب داغ) به کار برده می شود. با توجه به انواع ولتاژ های ممکن و جریان های موجود در ترموستات، هنگام انتخاب یک دستگاه جایگزین باید احتیاط شود.
ترموستات ولتاژ خطی
ترموستات های ولتاژ خطی معمولا برای هیتر های الکتریکی مانند هیتر برد اصلی و یا کوره الکتریکی سیم کشی مستقیم بیشترین کاربرد دارد. اگر ترموستات ولتاژ خطی استفاده شود، سیستم قدرت (در آمریکا ، 120 یا 240 ولت) به صورت مستقیم با ترموستات سوئیچ می شود. با سوئیچ جریان اغلب بیش از 40 آمپر، با استفاده از یک ترموستات های ولتاژ پایین در یک مدار ولتاژ خطی گاهی اوقات در برنامه های دیگر مانند کنترل واحد فن کویل (قدرت فن از ولتاژ خطی از طریق کویل لوله مغزی که توسط سیستم بزرگتر گرم و یا سرد تامین می گردد.) در سیستم های بزرگ با استفاده از چیلر ها و بویلر های مرکزی و یا برای پمپ هایی گردش خون در کاربردهای گرمایشی هیدرولیکی کاربرد دارد.
برخی از ترموستات های قابل برنامه ریزی جهت کنترل سیستم های ولتاژ خطی در دسترس می باشد. هیتر های برد اصلی به طور خاص از یک ترموستات قابل برنامه ریزی که قادر به کنترل مداوم ( همانند برخی از مدل های هانیول) است، به طور موثر هیتر مانند یک لامپ دیمر را کنترل می کندو به تدریج باعث افزایش و کاهش حرارت جهت اطمینان از دمای ثابت اتاق (کنترل مداوم به جای تکیه بر اثرات میانگین هیسترسیس). سیستم هایی که شامل یک فن ( کوره های الکتریکی، هیتر های دیواری و…) باید معمولا از کنترل های on/off ساده استفاده کند.
