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Verfahren und Einrichtung zum selbsttätigen Regeln des Wasserstandes in Dampf- kesseln.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum selbsttätigen Regeln des Wasserstandes in Dampfkessel, insbesondere in solchen, bei denen bei Belastungszunahme die Speicherfähigkeit des Speiseraumes ausgenutzt wird, indem die Speisung vermindert oder unterbrochen wird, während bei Belastungsabnahme die Speisung wieder zum Teil oder ganz in Tätigkeit gesetzt wird.
Es ist bei Dampfkessel dieser Art üblich, die Regelung der Speisung so einzurichten, dass bei Normalbelastung des Kessels der niedrigste Wasserstand im Kessel eingehalten wird, während der Nullbelastung des Kessels der höchste Wasserstand entspricht. Diese Regelung hat den Nachteil, dass man gerade die wichtigsten Belastungsschwankungen, d. h. die Belastungsspitzen bei im allgemeinen normaler Belastung, nicht durch die Speicherwirkung des im Kessel aufgespeicherten Wassers aufnehmen kann.
Nach der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch behoben, dass man die selbsttätige Regelung so einrichtet, dass bei allen Kesselbelastungen durch die Einwirkung des Kesseldruckes auf Regelorgane der höchste Wasserstand eingestellt bzw. gehalten wird, u. zw. so lange der Kesseldruck nicht niedriger als normal ist, dass dagegen der Wasserspiegel abgesenkt wird, gegebenenfalls bis zum untersten Stand, sobald der Kesseldruck unter den normalen Betrag sinkt. Man macht also die Regelung abhängig vom Kesseldruck und geht nur dann von. dem als Normalwasserstand zu betrachtenden Höchstwasserstand ab, wenn der Kesseldruck unter den normalen Wert sinkt. Man hat dann für die Überlastspitzen stets den ganzen Inhalt des Speiseraumes zur Verfügung.
Eine besonders zweckmässige Einrichtung zur Aus- übung des Verfahrens wird unter Benutzung einer an sich bekannten ohne Schwimmer arbeitenden Einrichtung so durchgebildet, dass sie einfach im Aufbau und betriebssicher dadurch sowohl für ortsfeste als auch für ortsbewegliche Dampfkessel geeignet ist. Bei dieser Einrichtung ist in Höhe des als Normalwasserstand zu betrachtenden höchsten Wasserstandes und in Höhe des tiefsten'Wasserstandes je eine Leitung angeschlossen, von denen stets die eine geöffnet ist, während die andere geschlossen ist.
Durch die geöffnete Leitung tritt je nach der Höhe des Wasserspiegels im Kessel Wasser oder Dampf oder ein Dampfwassergemisch, u. zw. über eine in der Leitung befindliche Drosselstelle zu einem Regelraum, in dem bei Übeltritt von Wasser ein anderer Druck herrscht als bei Übertritt von Dampf. Diese Druckunterschiede werden zur Regelung der die Speisewasserzufuhr zum Kessel bewirkenden Vorrichtung benutzt. Nach der Erfindung wird durch eine vom Kessel beeinflusste Regelvorrichtung eine Umstellvorrichtung betätigt, welche den Regelraum je nach der Höhe des Kesseldrucks mit dem oberen oder mit dem unteren Wasserstand in Verbindung bringt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Ausübung des Verfahtens nach der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt das Schema der ganzen Einrichtung ; Fig. 2 ist eine Teildraufsieht in kleinerem Massstab.
1 ist der Kessel, dessen Wasserstand geregelt werden soll. 2 ist der höchste und 2a der niedrigste mögliche Wasserstand. Die Leitung 3 ist durch Anschlüsse 3a und 3b an die Stellen der beiden Wasserstände 2 und 2a 2a angeschlossen. 4 und 4a sind zwei Drosselstellen, durch die entweder Wasser oder Dampf oder ein Dampfwassergemisch aus dem Kessel in die Leitung 3 tritt.
Die Leitung 3 ist durch eine in einer
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Kühlvorrichtung liegende Schlange 6 geführt, die in einem Kühlmittel liegt, das durch Leitung y in die Kühlvorrichtung eingeführt-wird und durch Leitung 8 aus ihr wieder hinausfliesst, und geht dann zu einer Regelvorrichtung 9, die als Zylinder 10 mit Regelkolben 11 ausgebildet ist, der unter dem Druck einer Feder 12 steht. Der Kolben 11 regelt den Zufluss von Dampf in einer Leitung jazz zum Dampfzylinder 14 der Speisepumpe 15. 16 ist die Saugleitung und 17 die Druckleitung der Speisepumpe. Vom Zylinder 10 der Regelvorrichtung 9 geht eire Leistung 18 aus, in der sich eine Drosselstelle 19 befindet und die an die Saugleitung 16 der Speisepumpe 2J angeschlossen ist.
Zwischen der Leitung 3 und den Anschlüssen 3a und 3b befindet sich eine Umstellvorrichtung 20, die beispielsweise als Dreiweghahn ausgebildet sein kann. 21 ist ein Behälter, der mit dem Wasserraum des Kessels durch eine Leitung 22 und mit dem Dampfraum durch eine Leitung 23 verbunden ist. Der Durchmesser dieses röhrenförmigen Behälters entspricht ungefähr der Höhe des Unterschiedes zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wasserstand im Kessel. Es können in bekannter Weise eine Reihe von röhrenförmigen Behältern 22 nebeneinander in der ganzen Längsausdehnung des Kessels 1 angeordnet sein (Fig. 2).
Sie stellen eine Vergrösserung des Speiseraumes des Kessels 1 dar und verbessern wesentlich die Spsicherwirkung. Die Behältet 21 können, falls der Speiseraum des Kessels genügt, fortgelassen werden.
Die Einrichtung nach der Erfindung enthält weiter eine Vorrichtung zum selbsttätigen Verstellen der Umstellvorrichtung 20. Diese ist mit einem Hebel 24 versehen, an dem die Kolbenstange 25 eines Kolbens 26 angelenkt ist. Der Kolben 26 gleitet in einem Regelzylinder 27 und steht unter der Wirkung
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unter den normalen Wert sinkt.
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist so, dass bei allen Kesselbelastungen gewöhnlieh der höchste Wasserstand 2 im Kessel eingehalten wird. Das Einhalten dieses Wasserstandes erfolgt selbsttätig, u. zw. auf Grund folgender Erscheinung : Es ist bekannt, dass durch eine Drossclvorrichtung bei Zuführung von Wasser eine Gewichtsmenge Wasser hindurchtritt, welche die bei Zuführung von Dampf in der gleichen Zeit durchtretende Gewichtsmenge Dampf mehrfach übertrifft, wenn in beiden Fällen der Druck vor der Drosselstelle sowie der Druck hinter der Drosselstelle gleich ist, d. h. wenn in beiden Fällen das gleiche Druckgefälle herrscht.
Bei einem Druckgefälle von etwa 12-15 Atm. ist das Verhältnis der Wassermenge zu einer unter gleichen Bedingungen austretenden Dampfmenge etwa 17 : 1.
In der gezeichneten Stellung der Umstellvorrichtung 20 wird der obere Wasserstand 2 geregelt bzw. eingehalten, d. h. es wird durch Drosselstelle 4, Anschluss 3a und Leitung 3 dem Kessel, je nach der Höhe des Wasselstandes, entweder Dampf oder Wasser entnommen. Die Menge des entnommenen Mittels wird durch die Drosselstelle 4 eingestellt und zweckmässig auf das geringstmögliche Mass beschränkt. Tritt in die Leitung 3 bei zu niedrigem Wasserstand Dempf ein, so wird dieser Dampf in der KiÛ1lvor- richtung 5, 6 niedergeschlagen, und in dem durch Leitung 3 und Zylinder 10 der Regelvorrichtung
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andere Räume (z. B.
Vorwärmer) angeschlossen werden, in denen, ein niedrigerer Druck herrscht als in dem Kessel, dessen Wasserstand geregelt werden soll, und in denen die in dem abgeführten Wasser enthaltene Wärme nutzbar verwendet wird.
Ist anderseits der Wasserstand im Kessel so hoch, dass die Mündung des Anschlusses 3a völlig unterhalb des Wasserspiegels liegt, dann tritt durch die Leitung 3 Wasser in den Zylinder 10 der Regelvorrichtung. Da in diesem Fall die Wassermenge wesentlich grösser ist als die Kondensatmenge bei Dampfzuffihrung und da diese grössere Wassermenge ebenfalls durch die Drosselstelle 19 abgeführt werden muss, stellt sich in dem Regelraum ein wesentlich grösserer Druck ein als bei reiner Dampfzuführung. In diesem Fall also wird der Regelkolben 11 entgegen der Wirkung der Feder 12 so bewegt, dass er die Durchtritts- öffnung in der Leitung 13 für den zum Dampfzylinder 14 strömenden Dampf ganz schliesst, womit die Speisewasserzuführung zum Kessel aufhört.
Zur Erläuterung diene folgendes Zahlcnbeispiel : Angenommen, im Kessel 1 herrsche ein Druck von 60 Atm. ; jede Drosselstelle habe einen Durchmesser von 1 mm. Bei reiner Dampfzuführung zur Leitung 3, d. h. bei zu niedrigem Wasserstand, wedren 0'0065//se/t Dampf durch die Drosselstelle 4 in den Regelraum eintreten. Um die niedergeschlagene Kondensatmenge gegen einen Druck von 1 Atm., der hinter der Drosselstelle 19 herrscht, durch diese zweite Drosselstelle zu drücken, ist ein Druck im Regelraum von 0-55 Atm. Überdruck erforderlich. Tritt Wasser durch die Drosselstelle 4 in den Regel-
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raum, so beträgt die durchtretende Wassermenge 0'0388 kgfsek, so dass also durch die Drosselstelle etwa sechsmal so viel Wasser eintritt als Dampf im obigen Betriebsfall.
Diese Wassermenge wird durch einen im Regelraum sich einstellenden Druck von etwa 12'5 Atm. Überdruck bei dem gleichen Druck von etwa 1 Atm. hinter der Drosselstelle 19 durch diese hindurchgedrückt. Zur Betätigung der Regelvorrichtung steht somit im vorstehenden Zahlenbeispiel ein Druckunterschied von etwa 12 Atm. zur Verfügung.
Die Kühlvorrichtung 5, 6 kann ganz fortgelassen werden, da auch ohne Niederschlagen des Dampfes im Regelraum genügend Druckunterschiede auftreten werden (je nach der Entnahme von Wasser oder Dampf aus dem Kessel), die zur Betätigung der Rfgelvorrichtung geeignet sind. Soll mit Niederschlagen des Dampfes gearbeitet werden, so kann an Stelle der gezeigten Kühlvorrichtung beispielsweise die Regelvorrichtung als Kühlvorrichtung gestaltet werden oder die Leitung 3 so lang sein, dass ein Niederschlagen des Dampfes in ihr stattfindet. Wird der Dampf niedergeschlagen, so bemisst man die Grösse der Kühlfläche zweckmässig so, dass'sie gerade ausreicht, die bei reiner Dampfzuführung in den Regelraum tretende Dampfmenge niederzuschlagen.
An Stelle der gezeigten Drosselstellen 4 und 19 können gegebenenfalls auch Leitungen sehr kleinen Durchmessers verwendet werden. Die Beeinflussung der Speisewasserzufuhr durch die Regelvorrichtung 9 kann ebenfalls auf andere Weise erfolgen als sie in der Zeichnung dargestellt ist.
Die Einwirkung des Kesseldrucks auf die Umstellvorrichtung 20 geschieht folgendermassen : Wenn das Feuer der jeweiligen Belastung angepasst, der Druck im Kessel also normal ist, ist das Ventil 30 geöffnet und durch die Leitung 29 tritt Dampf unter den Kolben 26 und hält den Hebel 24 in der (ausgezogen gezeichneten) oberen Stellung, so dass (wie oben angenommen) die Leitung 3 über 3a an den
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des Druckes im Kessel ein, so schliesst sich das Ventil 30, und der Kolben 26 d, da auf seine Unterseite kein Dampfdruck mehr wirkt, durch die Feder 28 nach unten gedrückt, so dass der Hebel 24 in die gestrichelt gezeichnete untere Stellung umgelegt wird und die Leitung 3 über 3b mit dem unteren Wasserstand verbunden ist.
Der Wasserspiegel wird so lange abgesenkt, bis der Druck im Kessel durch Anpassung des Feuers an den neuen Belastungszustand wieder auf den normalen Wert gekommen ist. Sobald dies eintritt, wird das Ventil 30 wieder geöffnet und der Kolben 26 durch den von unten auf ihn wirkenden Dampfdruck nach oben gedrückt, so dass der Hebel 24 wieder in die obere Lage umgelegt wird und der obere Wasserstand wieder eingehalten wird. Dauert der Zustand der Belastungszunahme bzw. der Überlast längere Zeit an, so wird der Wasserspiegel des Kessels so weit abgesenkt, bis der untere Wasserstand erreicht ist. Dieser untere Wasserstand wird dann selbsttätig durch die Einrichtung aufrechterhalten, indem nunmehr durch den Anschluss 3b Wasser, Dampf oder ein Dampfwassergemisch zur Regelkammer geführt wird.
Infolge der Vergrösserung des Speiseraumes durch die Behälter 21 kann man eine beträchtliche Zeit mit Überlast fahren, was beispielsweise dann besonders wichtig ist, wenn das Feuer der neuen Belastung aus betriebstechnischen Gründen nicht angepasst werden kann.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass jede Gelegenheit zum Ausfüllen des Speiseraumes benutzt wird, da die Speisung mehr und mehr angestellt wird, je höher der Kesseldruck über den normalen Wert steigt. Die Erfindung kann insbesondere bei Lokomotiven mit Vorteil Verwendung finden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum selbsttätigen Regeln des Wasserstandes in Dampfkessel, bei denen bei Belastungszunahme durch Verminderung oder Unterbrechung der Speisewasserzufuhr der Wasserspiegel abgesenkt und dadurch die Speicherfähigkeit des Speiseraumes des Kessels ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei allen Kesselbelastungen durch die Einwirkung des Kesseldruckes auf Regelorgane bei normalem oder übernormalem Kesseldruck der höchste Wasserstand eingehalten wird, während der Wasserstand bis zu einem niedrigen Wasserstand absinkt, sobald der Kesseldruck (beispielsweise infolge Belastungszunahme) unter den normalen Wert sinkt und dieser Wasserstand vorzugsweise durch die Wirkung der gleichen Regelorgane so lange gehalten wird, als der Druck unter dem normalen Wert bleibt.