وسیله‌ای کاربردی در زندگی به نام ترموستات

یکی از تجهیزات مرتبط با دما که از آن در صنایع، لوازم خانگی و تاسیسات ساختمانی به وفور استفاده می‌شود، ترموستات ها هستند. مدت زیادی است که ترموستات‌ها ساخته شده و در کاربردهای متنوع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این وسایل می‌توانند کارکرد بسیاری از وسایل گرمایشی، خودروها و لوازم خانگی را بهینه و موثرتر کنند. همچنین در تنظیم درجه حرارت تاسیسات ساختمان‌ها تعیین کننده هستند. در این مقاله ابتدا توضیح می‌دهیم که ترموستات چیست و چگونه کار می‌کند، سپس به انواع و کاربردهای هریک اشاره می‌کنیم.

ترموستات چیست؟

ترموستات‌ها (Thermostat) که به نام دیگر دماپا هم شناخته می‌شوند، دستگاهی هستند که با هدف حفظ دمای یک محیط یا یک ماده در محدوده‌ای معین استفاده می‌شوند. با کمک این وسایل می‌توان دمای یک سامانه را در مقدار خاصی نگهداشت، به طوری که عملکرد آن از افت یا افزایش دما بیشتر از مقدار مشخص شده، جلوگیری می‌کند.

واژه ترموستات از زبان یونانی گرفته شده و از دو بخش ترمو (thermo) با مفهوم گرما و ستات (statos) با مفهوم ایستادن ساخته شده است. چراکه این محصول، دستگاهی برای نگهداری و حفظ دماست. ترموستات‌ها می‌توانند ساز و کار متفاوتی داشته باشند. برخی از آن‌ها مکانیکی و بعضی دیگر الکترونیکی هستند. همچنین هریک کاربرد خاص خود را دارند و برای موارد استفاده ویژه‌ای تولید می‌شوند.

ترموستات‌ها چطور کار می‌کنند؟

ترموستات‌ها انواع گوناگونی دارند که با روش‌های مختلفی نیز کار می‌کنند. نحوه کار ترموستات‌های مکانیکی با ترموستات‌های الکترونیکی و هوشمند بسیار متفاوت است. همچنین ترموستات‌های مکانیکی می‌توانند به شیوه‌های مختلف عمل کنند. معمولا یک ترموستات مکانیکی، بر مبنای گرمایش فلزات یا گازها که باعث منبسط شدن آن‌ها می‌شود، کار می‌کند.

برای مثال در ساخت ترموستات‌هایی که برپایه انبساط فلزها ساخته شده‌اند، از دو قطعه فلزی غیر همجنس که کنار هم قرار داده می‌شوند، استفاده می‌شود. دلیل ناهمجنس بودن این دو قسمت، به این خاطر است که نقطه ذوب مختلفی داشته و در نتیجه رفتار متفاوتی در برابر دما داشته باشند.

دو قطعه فلز بکاربرده شده در ساخت ترموستات‌های مکانیکی می‌تواند از جنس مس و آهن، برنج و آهن یا جنس‌های دیگری باشد. این دو فلز آستانه تحمل گرمای متفاوتی دارند. یکی از آن‌ها که معمولا مس یا برنج است، وقتی در معرض گرما یا دمای بالا قرار می‌گیرند، بیشتر از قطعه‌ی آهنی منبسط می‌شود.

از آنجایی که در ساخت ترموستات این دو قطعه کنار هم چسبانده می‌شوند، انبساط یکی از آن‌ها باعث کج شدن ساختار دوتاییشان می‌شود. اما به محض پایین آمدن دما و سردتر شدن، دوباره قطعه‌ی کج شده به حالت اولیه‌ی خود برمی‌گردد. بر همین اساس، این قطعه فلزی را درون یک مدار به‌صورتی قرار می‌دهند که در حالت کج، اتصال مدار را قطع کرده و در بازگشت به حالت نرمال خود، دوباره اتصال را برقرار کند.

البته ترموستات‌های مختلف به شیوه‌های مختلف عمل می‌کنند و ممکن است به این شکل وابسته به رفتار فلزات نباشند. اما به‌طور کلی ایده‌ی ساخت اکثر ترموستات‌ها، بر اساس همین انبساط حرارتی شکل گرفته و سپس در کنار آن ترموستات‌های متنوع دیگر نیز ساخته شدند که سازگاری بیشتری با موارد استفاده بشر داشته باشند.

موارد کاربرد ترموستات

در هر وسیله‌ای که با دما و درجه حرارت سر و کار داشته باشد، مانند تاسیسات ساختمانی تامین گرمای محیط یا لوازم خانگی تولید کننده درجه حرارت بالا، از ترموستات‌ها استفاده می‌شود. موارد استفاده‌ی متعدد این دستگاه می‌تواند شامل خودروها، لوازم خانگی مثل یخچال، وسایل گرمایشی مانند رادیاتورها، تاسیسات هوشمند کنترل دمای منازل و محیط کار و بسیاری از کاربردهای دیگر باشد. در هر کجا که لازم است دما در محدوده معینی نگهداشته شود یا دستگاه به محض رسیدن به دمای خاصی خاموش شده و از داغ شدن بیش از حد وسیله‌ای جلوگیری شود، می‌توان از ترموستات‌ها استفاده کرد.

انواع ترموستات

ترموستات‌ها در انواع مختلف تولید می‌شوند که برای کاربردهای خاصی مناسب‌تر هستند. دو مورد از متداول‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها، ترموستات‌های دو فلزی یا بای متال (Bimetallic Strip) و گازی (Gas-filled Bellows) هستند. در ادامه هریک از آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

1- ترموستات‌های بی‌متال

این ترموستات‌ها در ساختار خود دو نوار فلزی با جنس‌های مختلف دارند که به هم چسبیده و محکم کنار هم قرار گرفته شده‌اند. این قطعه مانند یک کلید یا پل در مدار الکتریکی است که می‌تواند تولید گرما توسط یک وسیله یا تجهیزات را کنترل کند. در حالت عادی و وقتی قطعه فلز صاف و نرمال است، مدار وصل بوده و جریان الکتریسیته به درستی عبور می‌کند. در نتیجه اتصال برقرار است و آن وسیله همچنان گرما تولید می‌کند.

اما اگر دمای آن وسیله از حد خاصی بالاتر برود، یکی از فلزهای ترموستات بیشتر منبسط شده و کل نوار فلزی کمی خم می‌شود. در نتیجه اتصال فورا قطع شده و روند تولید گرما متوقف می‌شود. این روند باعث می‌شود دما بیش از میزان مشخص شده برای آن محصول یا دستگاه، افزایش پیدا نکند و در یک مقدار یا محدوده ثابت بماند.

بعد از قطع مدار، دما به آرامی پایین می‌آید تا به محدوده مناسب برسد. در این صورت قطعه فلزی خم شده به شکل قبلی و صاف خود برگشته و مجددا اتصال مدار را برقرار می‌کند. زمان برگشت سیستم به حال نرمال می‌تواند متفاوت باشد، اما هر وقت که دما پایین بیاید این اتفاق افتاده و فعالسازی گرمایش دوباره به راه می‌افتد.

در یک ترموستات معمولا می‌توان میزان دما را تنظیم کرد تا دقیقا تعیین شود به محض رسیدن به چه حد دمایی باید اتصال را قطع کند. معمولا ترموستات‌ها یک دکمه چرخان و صفحه‌ای مدرج برای انتخاب درجه حرارت مورد نظر دارند. قسمت نوار فلزی آن‌ها هم از دو فلز با جنس مختلف تشکیل شده که میزان تحمل آن‌ها در برابر درجه حرارت بالا متفاوت بوده و به‌همین دلیل رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند که باعث خم شدن نوار فلزی به یک جهت می‌شود. فرایند قطع و وصل شدن مجدد مدار می‌تواند 1 ساعت یا بیشتر زمان ببرد.

2- ترموستات گازی

نوع رایج دیگر از ترموستات‌ها، به انواع گازی آن تعلق دارد. ترموستات‌های گازی با توجه به یک نقطه ضعف قابل توجه ترموستات‌های دوفلزی، ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن هم این است که قطعه‌های فلزی به کُندی گرم یا سرد می‌شوند و انبساط آن‌ها برای ایجاد تغییرات دمایی مورد نظر، زمان‌بر است. به‌همین دلیل نمی‌توانند واکنش و عملکرد سریعی را ایجاد کنند.

در ترموستات‌های گازی، اساس کار به جای انبساط فلزات، بر مبنای انبساط گازها خواهد بود. به شکلی که در ساخت آن، دو دیسک فلزی با سطحی بزرگ روی هم قرار می‌گیرند که فضای بین آن‌ها با گاز پر می‌شود. ترموستات گازی به دلیل داشتن سطح بزرگ تبادل گرما با دیسک، در برابر گرما سریع‌تر واکنش نشان می‌دهد.

زمانی که محیط اطراف یا دستگاه مورد نظری که ترموستات درون آن نصب شده گرم شود، گازی که بین دیسک‌ها قرار دارد دچار انبساط می‌شود و دیسک‌های قابل ارتجاع آن را از هم جدا می‌کند. در چنین شرایطی دیسک داخلی، میکروسوئیچی را در وسط آن جابجا کرده و در نهایت اتصال مدار قطع می‌شود.

دوباره با افت دمای سیستم یا محیط، حجم گاز کاهش پیدا کرده و دیسک‌های فلزی سرجایشان بر می‌گردند. با این روند دیسک داخلی از میکرو سوئیچ فاصله گرفته و اتصال مدار برقرار می‌شود تا گرمایش ادامه پیدا کند. این که در ترموستات‌های گازی از چه گاز یا ماده‌ای استفاده شود، به نوع کاربرد آن ترموستات بستگی دارد. نمونه‌ای از کاربرد آن را می‌توان در اتومبیل‌های قدیمی پیدا کرد.

3- ترموستات‌های مومی

این نوع از Thermostat نیز از دسته‌های مکانیکی هستند و به جای انبساط فلز یا گاز، بر پایه‌ی تغییر حالت مواد ساخته شده‌اند. در ترموستات‌های مومی تغییر دما باید بتواند یک ماده جامد مومی را به مایع تبدیل کند تا خاموش کردن تجهیزات گرمایشی انجام شود. نمونه کاربردهای آن شامل رادیاتورهای منازل، موتور ماشین و میکسرهای دوش حمام هستند.

افزایش دما در این ساختار، موم را ذوب و منبسط می‌کند و یک میله را از محفظه‌ی حاوی موم به خارج هل می‌دهد. این روند سیستم ایجاد گرما را قطع کرده و کار ترموستات را پیش می‌برد. این ترموستات‌ها در موقعیت‌های دشواری مانند داخل موتور اتومبیل‌ها هم می‌توانند کار کنند. کاربرد دیگر ترموستات‌های مومی در رادیاتورهاست که باعث می‌شود دمای یک مکان را بتوان با آن کنترل کرده و از گرم شدن بیش از حد محل پیشگیری شود.

4- ترموستات‌های هوشمند یا دیجیتال

این تجهیزات استفاده می‌شود تا به‌طور هوشمند و خودکار، دمای یک محیط را کنترل کنند. کاربرد این‌گونه ترموستات‌ها برای تنظیم و نگهداری دمای مطلوب در ساختمان‌های مسکونی یا محل کار، اداره‌ها، انبارها و موارد مشابه دیگر است. تاسیسات ساختمانی مجهز به ترموستات دیجیتال، دائما و به‌طور اتوماتیک دمای محیط را سنجیده و بر اساس تفاوتی که تا دمای مطلوب تعیین شده دارد، کار تجهیزات گرمایش و سرمایش آن محل را تنظیم می‌کند.

این ترموستات‌ها می‌توانند بر زمان و شدت کار پکیج‌ها، فن کویل‌ها، داکت اسپلیت و مانند آن نظارت داشته باشند. ترموستات‌های دیجیتال یا الکترونیکی ممکن است قابلیت اتصال به اینترنت را داشته یا به‌طور دستی تنظیم شوند. در این صورت حتی زمانی که در خانه نباشید، مثلا وقتی که سر کار یا در مسافرت هستید، هرساعت و هر لحظه از روز دمای خانه و محیط زندگی شما را همان‌طور که برایشان مشخص شده، نگه می‌دارند.

بنابراین یک ترموستات ابزار مفید بشر برای صرفه‌جویی در انرژی و حفظ سلامت محیط و دستگاه‌هاست و انواع هوشمندش مصرف انرژی را به بهینه‌ترین و دقیق‌ترین حالت ممکن می‌رسانند. اطلاعات بیشتر در مورد ترموستات‌ها را می‌توانید از دنیای حرارت بدست آورید.