Как работают термостаты?

Вам слишком жарко? Тогда вам захочется охладиться. Вам слишком холодно? Вам нужно согреться. Наши тела — это удивительные саморегулирующиеся механизмы, которые могут постоянно подстраиваться, чтобы поддерживать свою температуру в пределах 37°C (98,6°F). Но остальной мир не так уж и полезен. Если мы хотим, чтобы температура в наших домах была более или менее постоянной, нам приходится постоянно включать и выключать обогреватели — или, в качестве альтернативы, полагаться на умные устройства, называемые термостатами , которые сделают эту работу за нас. Что это такое и как они работают? Давайте заглянем внутрь!

Фото: Простой механический термостат Honeywell, установленный на стене. Этот термостат имеет градусы Цельсия. После того, как вы установили температуру, термостат должен включать и выключать отопление по мере необходимости, чтобы поддерживать в комнате более или менее высокую температуру. На практике такой термостат не включается и не выключается при одной температуре, а циклически переключается между небольшим диапазоном температур по обе стороны от установленного вами значения.

Что такое термостат?

У вас дома может быть регулятор температуры на стене для
управления системой отопления, но, хотя
он, вероятно, и отмечен в
градусах, это не термометр. Он называется термостат ,
современное слово
, происходящее от двух древнегреческих: thermo (что означает тепло) и statos
(что означает стоять и связано с такими словами, как stasis, status
quo и static — что означает оставаться прежним). Мы можем понять из его
названия, что термостат — это то, что «поддерживает тепло на том же уровне»:
когда в нашем доме слишком холодно, термостат включает отопление, чтобы
все быстро нагрелось; как только температура достигает установленного нами уровня
, термостат отключает отопление, чтобы мы не закипели.

Давайте проясним разницу: термометр — это то, что измеряет температуру; термостат — это то, что пытается поддерживать температуру (примерно одинаковой).

Фото: электронный комнатный термостат, показывающий цифровое показание температуры (22,9°C). Этот работает немного иначе, чем механический на верхнем фото. Дисплей является частью центрального отопительного программатора со встроенным термометром, который постоянно измеряет, насколько жарко в комнате, а затем включает и выключает отопление, чтобы поддерживать его в пределах 1°C от установленной вами температуры.

Как работают термостаты

Так как же работает термостат? Большинство вещей увеличиваются при нагревании и уменьшаются при охлаждении
(вода является заметным исключением: она расширяется при нагревании и замерзании). Механические термостаты используют эту идею (которая называется тепловым расширением ) для включения и выключения электрической цепи. Два наиболее распространенных типа используют биметаллические полосы и заполненные газом сильфоны.

Биметаллические полосы

Традиционный термостат состоит из двух
частей из разных металлов, скрепленных вместе, чтобы сформировать то, что называется
биметаллической полосой (или биметаллической полосой). Полоса работает как мост
в электрической цепи, подключенной к вашей системе отопления. Обычно
«мост опущен», полоса проводит электричество по
цепи, и отопление включено. Когда полоса нагревается, один из
металлов расширяется больше другого, поэтому вся полоса изгибается совсем
немного. В конце концов, она изгибается так сильно, что разрывает цепь. «Мост поднят», электричество
мгновенно отключается, отопление отключается, и комната начинает остывать.

Но что происходит потом? По мере того, как комната
остывает, полоска тоже остывает и изгибается обратно к своей первоначальной форме.
Рано или поздно она возвращается в цепь и
снова запускает ток, так что отопление снова включается. Регулируя
циферблат температуры, вы меняете температуру, при которой
цепь включается и выключается. Поскольку металлической полоске требуется некоторое время для
расширения и сжатия, отопление не включается и выключается постоянно
каждые несколько секунд, что было бы бессмысленно (и
довольно раздражающе); в зависимости от того, насколько
хорошо изолирован ваш дом и насколько холодно на улице, термостату может
потребоваться час или больше, чтобы снова включиться после выключения
.

Инженер-электрик доктор Рэй Франко собрал несколько
замечательных фотографий биметаллических полосовых термостатов, которые наглядно демонстрируют, как они работают.

Фото: Спиральная биметаллическая полоска в циферблатном термометре. По мере того, как полоска нагревается или охлаждается, она становится более или менее натянутой, перемещая указатель (слева) вверх или вниз по циферблату, чтобы указать температуру.
Многие термостаты используют тот же принцип, но полоска обычно представляет собой просто короткую часть из двух металлов.

Это базовый принцип, но на самом деле это немного больше. Комнатные термостаты старого образца часто объединяли биметаллическую полоску с ртутным переключателем наклона: стеклянная колба с двумя электрическими контактами и каплей жидкой ртути внутри. По мере того, как полоска расширяется, она слегка наклоняет переключатель, ртуть скользит по трубке и либо замыкает, либо размыкает контакты, тем самым включая или выключая цепь. Ртутные переключатели очень надежны, но из-за токсичности ртути в настоящее время запрещены в некоторых частях мира и заменены другими, более безопасными механизмами.

Художественное произведение: Внутри ртутного переключателя находится капля ртути (показанная здесь для простоты в виде красного круга) и два электрических контакта. Когда переключатель наклоняется, ртуть скользит по трубке, касается обоих контактов и замыкает цепь. В термостате переключатель наклоняется расширяющейся и сжимающейся биметаллической полосой.

Вот типичный комнатный термостат старого образца с спиральной биметаллической полосой и ртутным переключателем наклона. Вы можете увидеть, как расширяющаяся металлическая полоса наклоняет переключатель:

Фото: комнатный термостат старого образца, в котором расширяющаяся и сжимающаяся биметаллическая полоска наклоняет ртутный переключатель. Фото Эрика Вэнса предоставлено Агентством по охране окружающей среды США и
Национальным
архивом США.

Биметаллические термостаты не всегда имеют форму линейной (или спиральной) полосы. Если у вас есть электрический чайник, он «знает», когда нужно выключиться после закипания, благодаря биметаллическому диску (ниже), который переключается между двумя положениями, когда пар от кипящей воды льется на него. Подробнее об этом читайте в нашей статье об электрических чайниках.

Фото: Биметаллический дисковый термостат от электрочайника. При разных температурах он переключается между двумя положениями, включая или выключая чайник.

Газонаполненные сильфоны

Проблема с биметаллическими полосками в том, что им требуется много времени для нагрева или охлаждения, поэтому они
не реагируют быстро на изменение температуры. Альтернативная конструкция термостата
быстрее определяет изменение температуры с помощью пары металлических дисков с заполненным газом сильфоном между ними.
Диски имеют большую площадь поверхности, поэтому они быстро реагируют на тепло, и они гофрированные
(имеют выступы), что делает их упругими и гибкими.
Когда комната нагревается, газ в сильфоне расширяется и раздвигает диски.
Внутренний диск давит на микропереключатель в середине термостата, отключая электрическую
цепь (и отопление). Когда комната охлаждается, газ в сильфоне сжимается, и металлические диски снова смыкаются.
Внутренний диск отходит от микропереключателя, включая электрическую цепь и снова включая отопление.
Термостаты с гофрированными сильфонами можно встретить и в других устройствах (например, в старых автомобилях). Вместо газа
они иногда заполнены летучей (низкокипящей) жидкостью, например, разбавленным спиртом; точный химический состав внутри зависит от диапазона температур, в котором им необходимо работать.

Фото: Термостат Honeywell (тот, что на нашей верхней фотографии, и показанный здесь со снятым корпусом, с двух разных ракурсов) регулирует температуру с помощью пары металлических дисков, разделенных заполненным газом сильфоном, который давит на микропереключатель. Поворот шкалы температуры перемещает диски ближе или дальше от микропереключателя в центре. Это означает, что газовый сильфон должен расширяться больше или меньше, чтобы включить или выключить электричество, — эффективно повышая температуру, при которой срабатывает переключатель (и температуру в помещении).

Восковые термостаты

Подводя итог тому, что мы уже обнаружили, вы можете видеть, что все механические термостаты (все неэлектронные) используют вещества, которые меняют размер или форму с ростом температуры. Так, битометаллические термостаты полагаются на расширение металлов по мере их нагревания, в то время как газовые сильфоны работают, используя расширение газов. Некоторые термостаты идут дальше и используют изменение
состояния вещества из жидкого в газообразное. Восковые термостаты, вероятно, являются наиболее распространенным примером, и вы найдете их в клапанах домашних радиаторов, автомобильных двигателях и душах-смесителях. Они используют небольшую пробку воска внутри герметичной камеры. При изменении температуры воск плавится (меняет состояние из твердого в жидкое), сильно расширяется и выталкивает стержень из камеры, который что-то включает или выключает (управляет системой охлаждения двигателя в автомобиле или регулирует смесь горячей и холодной воды в душе, чтобы ваше тело не сварилось, как омар). Восковые термостаты, как правило, более надежны и долговечны в экстремальных условиях внутри двигателя транспортного средства.

Анимация: Как работает восковой термостат. Воск (синий) находится внутри герметичной камеры (серой), в которой находится металлическая игла (серебряная). По мере повышения температуры воск плавится, расширяется и выталкивает иглу из камеры (желтые стрелки). Поднимающаяся игла включает или выключает любое устройство, которым управляет термостат. Пружина (здесь не показана) оттягивает весь механизм обратно, когда температура падает.

Фото: Вот внутренняя часть управления смесителем для душа, показывающая, как на самом деле выглядит восковой термостат. Маленький черный цилиндр в середине — это восковой термостат, который движется внутрь и наружу, регулируя горячую и холодную воду, поддерживая смешанную воду (выходящую из душевой головки) при более или менее постоянной температуре. На этом фото показана пружина, которая оттягивает термостат назад, когда температура падает, и восковой термостат снова сжимается.

Термостатические радиаторные клапаны

Фото: Этот термостатический клапан регулирует поток горячей воды через радиатор, чтобы предотвратить перегрев помещения. Если в помещении становится слишком жарко, он активирует восковой термостат, который активирует клапан, перекрывая поток воды через радиатор, пока температура снова не опустится.

Температурные клапаны, установленные на радиаторах центрального отопления, обычно используют
восковые термостаты. Когда радиаторы нагреваются до установленного вами уровня, восковые клапаны расширяются и
уменьшают поток воды через радиатор, пока температура снова не опустится. В сочетании с комнатными
термостатами такие клапаны могут предотвратить перегрев вашего дома — и это хороший способ
сэкономить энергию
и деньги, а также внести свой вклад в борьбу с глобальным
потеплением.

Интернет-подключенные интеллектуальные термостаты

Фото: типичное приложение для смартфона, связанное с домашним термостатом. Это приложение поставляется компанией Hive (British Gas) в Великобритании; другие конкурирующие модели поставляются такими компаниями, как Nest и Honeywell.

Большинство из нас проводят дома только половину или треть своего времени: остальное время мы либо на работе, либо в дороге. Обычно у нас дома есть программатор или термостат, который включает или выключает отопление в зависимости от времени суток или температуры внутри. Но это в лучшем случае грубая система. По умолчанию, чтобы избежать холодного дома, многие из нас просто включают отопление на полную мощность, тратя огромное количество энергии и денег. Именно для решения этой проблемы и предназначены интеллектуальные термостаты последнего поколения. Они изучают, как вы вручную изменяете температуру в разное время суток или по-разному в течение недели и в выходные, сравнивая это с объективными измерениями температуры и влажности, чтобы установить надежную программу, которой они смогут автоматически следовать в будущем. Обычно они также позволяют вам программировать их удаленно с помощью простого приложения для смартфона, чтобы вы могли включить отопление в поезде по дороге домой, например.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Нагревать
• Металлы
• Термопары
• Термометры

Книги

• Black & Decker: Полное руководство по электропроводке, 6-е издание: Редакторы Cool Springs Press, Cool Springs Press, 2014. Объясняет, как ремонтировать и заменять различные типы домашних термостатов.
• Технология охлаждения и кондиционирования воздуха Джона Томчика, Юджина Зильберштейна, Билла Уитмена и Билла Джонсона. Cengage, 2017. Включает обсуждение термостатов, используемых в системах охлаждения, в разделе «Unit 14: Automatic Control Components and Applications».
• Инженерное руководство по автоматическому управлению коммерческими зданиями: отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, Honeywell, Inc. 1991 г. Старое, но все еще очень актуальное техническое руководство по многим различным видам регулирования температуры и различным компонентам, которые обеспечивают их работу.

Статьи

• Как сделать термостат Nest вашим умным домашним центром, Майкл МакКоул. Wired, 10 февраля 2016 г. Краткое введение в термостаты, подключенные к Интернету.
• Домашние термостаты, больше никаких настенных цветов Фархада Манджу. The New York Times. 7 декабря 2011 г. Рассматривает последнее поколение подключаемых к сети и программируемых термостатов.
• «Умный, а не громоздкий термостат» Дэвида Поуга. The New York Times. 30 ноября 2011 г. Обзор обучающегося термостата Nest.

Видео

• Как работает биметаллическая полоса от fizik.si. Наглядная демонстрация того, как биметаллическая полоса изгибается при нагревании и выпрямляется при охлаждении.
• Биметаллический электрический выключатель ki65ki1. В этой простой схеме биметаллический контакт включается и выключается, охлаждаясь вентилятором и нагреваясь свечой.
• Как работает восковой термостат от TechTrixInfo.com. Понятное и простое анимированное объяснение.
• Как работает термостат эспрессо-машины от Seattle Coffee Gear. Пара любителей кофе разбирают эспрессо-машину и изучают биметаллический термостат внутри.

Патенты

Для более подробной технической информации ознакомьтесь с этой подборкой патентов на термостаты, а также найдите сотни других в Google Patents:

• Патент США 2171895: Термостат с ртутным переключателем, Карл Дж. Варнке. McGraw Electric Co, 6 июня 1933 г. Классический жидкортутный термостат.
• Патент США 2171895: Компенсированный биметаллический термостат Роберта Сандерсона. McGraw Electric Co, 5 сентября 1939 г. Простой биметаллический комнатный термостат.
• Патент США 2,798,507: Сильфон термостата Теодора А. Сент-Клера. Компания Weatherfield, 9 июля 1957 г. Конструкция сильфона для термостата автомобильного двигателя.
• Патент США 4,298,946: Программируемый цифровой термостат с электронным управлением, автор Гленн А. Хартселл. Honeywell, Inc., 3 ноября 1981 г. Современный электронный термостат для центрального отопления.
• Патент США 10,287,965: Восковой термостат Джейсона Спенни. Denso International America Inc., 14 мая 2019 г. Типичный современный восковой термостат для системы управления двигателем.