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Verfahren zur Kühlung und selbsttätigen Regelung der Temperatur von strömendem Heissdampf und Vorrichtung zu seiner Durchführung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung und selbsttätigen Regelung der Temperatur von Heissdampf.
Die Erkenntnis, dass mit steigender Dampftemperatur der thermische Wirkungsgrad der mit
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hitzung des Dampfes wird hiebei durch die Eigenschaften der in den Kraftmaschine verwendeten Materialien bestimmt.
Die angegebenen Mittel zur Überhitzung des Dampfes sind aber derart, dass die Temperatur des überhitzten Dampfes nicht allein von Grösse und Art des verwendeten Überhitzers, sondern auch von der Feuerführung und insbesondere von der jeweiligen Dampfmenge abhängt. Einerseits das Bestreben, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mit möglichst hohen Dampftemperaturen zu arbeiten, anderseits die Gefahrfür den Bestand der verwendeten Kraftmaschine bei Überschreitung einer bestimmten Dampftemperatur zwingt zur Verwendung von Vorrichtungen zur Beschränkung und Regelung der Dampftemperatur.
Es wurde zwar schon versucht, allein durch die Bauart des Überhitzers die Temperatur des überhitzten Dampfes konstant zu halten ; in ihrer Wirkung zuverlässiger sind aber Vorrichtungen, welche den hochüberhitzten Dampf durch Beimischung von Dampf geringerer Temperatur oder durch Einspritzung von Wasser oder durch Hindurchleiten eines Teiles des hochüberhitzten Dampfes durch gekühlte Rohrschlagen od. dgl. auf das gewünschte Mass kühlen.
Soll Dampf für Heiz-und Kochprozesse, für die sich Sattdampf oder wenig überhitzter Dampf besser als hochüberhitzter Dampf eignet, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht einer besonderen Erzeugungsanlage, sondern der Anlage für hoehüberhitzten Kraftdampf oder Entnahmemaschinen in noch überhitztem Zustande entnommen werden, dann muss dieser Dampf auf die gewünschte niedrigere Temperatur gekühlt werden. Diese Vorrichtungen formen den Dampf entweder durch Hindurchleiten durch Wasser oder durch Einspritzung von Wasser um, wobei im letzteren Falle die Menge des eingespritzten Wassers geregelt werden muss.
Die Einstellung der gewünschten Temperatur bei den Dampfkühlern und Dampfumformern der bekannten Bauarten, welche mit Einspritzung von Wasser oder mit Beimischung von Dampf geringerer Temperatur arbeiten, erfolgt durch Verstellung des Zusatzventils für das Kühlmedium entweder von Hand oder selbsttätig, wobei nach den bekannten Bauarten der Impuls zur Verstellung des Zusatzventils von der Temperatur des gekühlten Heissdampfes mit Hilfe eines Wärmefühlers abgenommen wird.
Die Menge des jeweils zuzusetzenden Kühlmediums zur Kühlung von Heissdampf bei einem bestimmten Druck auf eine eingestellte konstante Temperatur ist abhängig von der Temperatur des zu kühlenden Heissdampfes und von der Menge desselben. Bei gleicher Menge des zugesetzten Kühlmediums steigt die Temperatur des gekühlten Heissdampfes mit steigender Temperatur und mit steigender Menge des zu kühlenden Heissdampfes und umgekehrt.
Eine Untersuchung bezüglich des zeitlichen Ablaufes von Störungen eines Gleichgewichtszustandes zwischen Temperatur und Menge des Heissdampfes einerseits und Menge des Kühlmediums anderseits
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zeigt,-dass die Änderungsgeschwindigkeit der Heissdampftemperatur klein und in der Mehrzahl der Fälle wesentlich geringer sein wird als die Änderungsgeschwindigkeit der Heissdampfmenge.
Letztere ist nur vom Verbraucher abhängig ; Lastübernahme oder Entlastung einer angeschlossenen Kraftmaschine, Zusehaltung oder Abschaltung eines Kochers od. dgl. wird rasche Änderungen der benötigten Heissdampfmenge hervorrufen, während Änderungen der Heissdampftemperatur sich nur langsam vollziehen werden, da sich vorher erst Überhitzer und Leitungen mit ihrer grossen Wärmekapazität auf ein neues WärmeNiveau einstellen müssen.
Durch die Temperaturänderung des gekühlten Heissdampfes bei gestörtem Gleichgewicht infolge nunmehr unrichtiger Zusatzmenge des Kühlmediums wird bei den bekannten Bauarten ein Impuls auf das Regelorgan ausgeübt, wobei bis zur Ausbildung des Impulses jene Zeit vergehen muss, die erforderlich ist, um die Teile der Vorrichtung, welche zwischen Zusatzstelle des Kühlmediums und Abnahmestelle des Impulses liegen, und den Wärmefühler selbst auf ein neues Temperaturniveau anzuwärmen bzw. abzukühlen.
Die Temperaturregler mitWärmefühler arbeiten somit infolge Impulsverzögerung unter Umständen mit Abweichungen vom eingestellten Soll-Wert. Sie sind wohl geeignet, die langsamen Gleichgewichtsstörungen infolge Änderung der Temperatur des zu kühlenden Heissdampfes auszuregeln, vermögen aber den raschen Änderungen der Heissdampfmenge nicht mit gleicher Geschwindigkeit zu folgen, verbürgen somit bei Belastungsstössen die Einhaltung der Temperatur des gekühlten Heissdampfes in den gewünschten engen Grenzen nicht
Es sind ferner Dampfumformer bekannt, welche in Verbindung mit einer Druckreduktionseinrichtung für den strömenden Dampf angewendet werden ;
sie bestehen darin, dass das Regelorgan für das Kühlmedium sowohl von der Temperatur des gekühlten Heissdampfes wie auch von dem durch ein Drosselorgan für die Druckreduktion des strömenden Dampfes jeweils freigegebenen Querschnitt der Dampfleitung beeinflusst wird.
Gegenstand der Erfindung ist es nun, die Regelung des Kühlmediumzuflusses durch einen Impuls zu bewirken, der von der Menge des zu kühlenden, im Druck nicht reduzierten Heissdampfes ausgeht und durch den durch den strömenden Dampf an einer Drosselstelle der Leitung erzeugten Differenzdruck hervorgerufen wird. Es ist daher zum Unterschiede von jenen Ausführungen, welche zwangläufig die Dampfumformung nur in Verbindung mit einer Dampfdruckreduzierstation durchführen können, die vorliegende Erfindung für die Umformung von Dampf anwendbar, dessen Druck im Hinblick auf seine Verwendung nicht reduziert werden darf.
Diese Regelung. kann allein oder zweckmässig in Verbindung mit der Regelung des Kühlmediumzuflusses durch die Temperatur des gekühlten Heissdampfes benutzt werden. Die Vorrichtung zur Durchführung des kombinierten Verfahrens besteht darin, dass die Stellung des den Zufluss des Kühlmediums zum Heissdampf bestimmenden Regelorgans (Ventil od. dgl. ) einerseits in bekannter Weise durch ein in Abhängigkeit von der Temperatur des gekühlten Heissdampfes beeinflusstes Organ (Wärmefühler bzw.
Wärmeorgan) und anderseits durch ein vom Differenzdruck an einer Drosselstelle der durchströmten Dampfleitung beeinflusstes Organ (Mengenfühler bzw. Mengenorgan) bestimmt wird.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand durch Ausführungsbeispiele schematisch ver- anschaulich.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der durch die Leitung 1 strömende Heissdampf durch das mittels der Düse 2 in die Leitung 1 eingeführte Kühlmedium (Wasser oder Dampf geringerer Temperatur) gekühlt, dessen Menge von dem in der Leitung 3 herrschenden Druck und dem vom Drosselorgan 4 freigegebenen Querschnitt abhängt. Die Spindel des Drosselorgans 4, das bei der gezeichneten Ausführung als Ventil ausgebildet ist, wird mittels eines Servomotors 5 bewegt. Bei der gezeichneten Ausführung besitzt der Servomotor 5 zwei Kolben 8 und M, welche auch als Membranen ausgebildet sein können.
Der Kolben 8 wird durch eine Hilfsflüssigkeit (Wasser, Öl, Druckluft od. dgl.)
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querschnitt 9 abfliesst, dessen Grösse jeweils entsprechend der Temperatur des gekühlten Heissdampfes durch den Wärmefühler 6 in bekannter Weise eingestellt wird. Der zweite Kolben 14 wird erfindungsgemäss durch den Differenzdruck belastet, welcher vor und nach einer Drosselstelle in der Heissdampfleitung bei strömendem Heissdampf entsteht, wobei die Drosselstelle vor oder nach der Zusatzstelle für das Kühlmedium angeordnet sein kann. Bei der gezeichneten Ausführung ist in die Heissdampfleitung ein Stauflansch 11 eingebaut. Die Drücke vor und nach dem Stauflansch werden durch die Leitungen 12 und 13 auf den Kolben 14 des Servomotors 5 übertragen.
Den durch die Kolben 14 und 8 auf die Spindel
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welche bei der gezeichneten Ausführung durch eine Feder 10 geliefert wird.
Einer Vergrösserung der strömenden Heissdampfmenge bei gleichbleibender Heissdampftemperatur entspricht eine Vergrösserung des entstehenden Differenzdruckes und damit eine Änderung der Belastung des Kolbens 14, was eine Verstellung der Spindel des Drosselorgans 4 im Sinne des Öffnens so lange hervorruft, bis die entlastete Feder und der vergrösserte Differenzdruck wieder dem Druck der Hilfsflüssigkeit das Gleichgewicht halten ; umgekehrt verläuft der Regelvorgang bei Verkleinerung der
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strömenden Heissdampfmenge.
Werden die Abmessungen des Kolbens 14 und der Feder 10 sowie die Druckdifferenz zwischen dem Kühlmedium in der Leitung 3 und dem Druck des Heissdampfes in der Leitung 1 sowie weiters die Beziehung zwischen Hub der Spindel und Öffnungsquerschnitt des Drosselorgans 4 entsprechend gewählt, dann entspricht die Vergrösserung der durch das Drosselorgan 4 strömenden Menge des Kühlmediums genau der Vergrösserung der Heissdampfmenge, so dass der Wärmefühler 6 in seiner alten Stellung verbleibt. Vergrössert sich hingegen die Heissdampftemperatur bei gleichbleibender Menge, so wird der neue Gleichgewichtszustand durch den Thermostaten durch Veränderung des auf den Kolben 8 lastenden Druckes im Sinne des Öffnens des Drosselorgans 4 eingestellt und umgekehrt.
Gleichzeitige Änderungen von Heissdampftemperatur und Heissdampfmenge rufen gleichzeitige Impulse vom Mengenfühler und vom Temperaturfühler auf das Drosselorgan für das Kühlmedium im b2schriebenen Sinne hervor.
In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, die veranschaulichen sollen, wie erfindungsgemäss der Impuls des Mengenfühlers auf die Hilfsflüssigkeit übertragen werden kann, falls es vorgezogen wird, den Dampf aus der Leitung 1 nicht direkt auf den Kolben des Servomotors wirken zu lassen.
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für das Kühlmedium unter einem höheren Druck, als er in der Leitung 1 herrscht, 4 das Drosselorgan für das Kühlmedium, 11 der Stauflansch in der Heissdampfleitung. Das Drosselorgan 4 wird durch den Servomotor 15 verstellt, dessen Kolben 16, der auch als Membrane ausgeführt werden kann, vom Drucke der Hilfsflüssigkeit belastet wird, welche unter einem bestimmten Vordruck durch die Drossel 17 dem Servomotor zufliesst.
Die Grösse des Druckes der Hilfsflüssigkeit, welcher den Kolben 16 belastet und welchem durch eine Gegenkraft das Gleichgewicht gehalten wird, die bei dem Ausführungsbeispiel von einer Feder 18 geliefert wird, wird durch die Grösse der Austrittsöffnung 19 für die Hilfsflüssigkeit bestimmt, welche durch den Ventilkegel 20 mehr oder weniger verschlossen wird. Die Stellung des Ventilkegels 20 wird durch die relative Lage der Drehpunkte 21 und 23 des Befestigungshebels für den Ventilkegel 20 bestimmt. Drehpunkt 21 verbindet den Befestigungshebel mit dem Wärmefühler 22. Drehpunkt 23 ist mit einer Differenzdruckmembrane 24 verbunden, welche durch den vom strömenden Heissdampf vor und nach dem Stauflansch 11 erzeugten Differenzdruck belastet ist.
Die Differenzdruckmembrane biegt sich unter dem Einflusses des Differenzdruckes mehr oder weniger durch und nimmt hiebei den Drehpunkt 23 mit, wobei dem Differenzdruck entweder durch die Membrane selbst infolge ihrer Steifigkeit oder mit Hilfe einer Feder das Gleichgewicht gehalten wird.
Vergrössert sich bei gleichbleibender Temperatur des Heissdampfes die Heissdampfmenge, so ver- ändert der Drehpunkt 23, während der Drehpunkt 21 als Fixpunkt dient, seine Lage derart, dass der Ventilkegel 20 durch Veränderung der Grösse der Austrittsöffnung 19 einen neuen Druck im Servomotor 15 herstellt, welcher eine Verstellung des Drosselorgans 4 im Sinne einer grösseren Öffnung des Drosselorgans hervorruft. Bleibt die Menge des Heissdampfes konstant, während sich die Temperatur des Heissdampfes vergrössert, dann dient der Drehpunkt 23 als Fixpunkt, während der Drehpunkt 21 unter der Einwirkung des Wärmefühlers seine Lage derart ändert, dass auf das Drosselorgan 4 in der beschriebenen Weise ein Impuls im Sinne grösserer Öffnung desselben ausgeübt wird.
Verkleinerung der Heissdampfmenge oder Heissdampftemperatur verursachen ein Ablaufen des Regelvorganges im umgekehrten Sinne ; gleichzeitige Änderungen von Heissdampfmenge und Heissdampftemperatur rufen einen entsprechend kombinierten Impuls auf das Drosselorgan 4 hervor.
Werden die Abmessungen des Kolbens 16 und der Feder 18 sowie die Druckdifferenz zwischen Kühlmedium in der Leitung 3 und dem Druck des Heissdampfes in der Leitung 1 sowie die Beziehung zwischen Hub der Spindel und Öffnungsquerschnitt des Drosselorgans 4 entsprechend gewählt und schliesslich der Hub des Wärmefühlers 22 mit dem Hub der Membrane 24 und der Beziehung zwischen Hub des Ventilkegels 20 und Öffnungsquerschnitt 19 richtig abgestimmt, dann entspricht für jede. Stellung des Wärmefühlers 22 die Vergrösserung der durch das Drosselorgan 4 strömenden Menge des Kühlmediums genau der Vergrösserung der Heissdampfmenge, so dass der Wärmefühler in seiner alten Stellung verbleibt.
In Fig. 3 ist eine Ausführung gezeigt, bei welcher mittels eines Differenzdruckwandlers ein sich selbst zwangläufig kontrollierender Zusammenhang zwischen Heissdampfmenge und wirksamem Druck der Hilfsflüssigkeit über dem Servokolben auf jeder durch den Wärmefühler eingestellten Druckstufe der Hilfsflüssigkeit hergestellt wird.
Der vom strömenden Heissdampf vor und nach dem Stauflansch 11 erzeugte Differenzdruck wird durch die Leitungen 30 und 31 auf die Membrane 32 übertragen. Der entstehenden Kraft, welche die Membrane aus ihrer Ruhelage zu bringen trachtet, wird durch die Kraft, welche sich aus der Differenz der auf die Membrane 33 lastenden beiden Drücke ergibt, das Gleichgewicht gehalten. Der eine durch die Leitung 28 übertragene Druck ist gleich dem Druck hinter der Drossel 26, durch welche die Hilfsflüssigkeit hinzutritt, und ist identisch mit dem Druck vor dem Austrittsquerschnitt 9 für die Hilfsflüssigkeit, dessen Grösse durch den Wärmefühler 6 für den gekühlten Heissdampf in bekannter Weise eingestellt wird.
Der andere durch die Leitung 29 übertragene Druck ist gleich dem Druck hinter der Drossel 27 und gleich dem Druck über den Kolben 16 des Servomotors 15, welcher durch die Stellung
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des Ventilkegels 35 über dem Austritts querschnitt 34 für die Hilfsflüssigkeit bestimmt wird. Gleichgewicht zwischen den Membranen 32 und 33 herrscht, wenn die auf die Membranen gegeneinander wirkenden Kräfte gleich gross sind.
Ist das Gleichgewicht gestört, dann verschieben sich die Membranen so lange, bis der über den Hebel 36 mit den Membranen 32 und 33 verbundene Ventilkegel 35 den Austrittsquerschnitt 34 derart verändert hat, dass die Differenz der Drücke in den Leitungen 28 und 29 multipliziert mit der wirksamenFläche der Membrane 33 gleich ist der Differenz der Drücke in den Leitungen 30 und 31, multipliziert mit der wirksamen Fläche der Membrane 32.
Die Membranen 32 und 33 kommen also erst dann zur Ruhe, bis der auf dem Kolben 16 des Servomotors lastende Druck um den durch den strömenden Heissdampf vor und nach dem Stauflansch 11 erzeugten Differenzdruck kleiner (bei ungleich grossen Membranen um einen proportionalen Betrag kleiner) geworden ist als der durch den Wärmefühler 6 eingestellte Druck der Hilfsflüssigkeit. Somit ist jede Stellung der Spindel des Drosselorganes durch die Temperatur des Heissdampfes und durch die jeweilige Menge desselben eindeutig, unabhängig von einer genauen Einhaltung bestimmter Abmessungen der Teile 9,34 und 35, definiert. Bei entsprechender Wahl der übrigen Abmessungen werden Mengenänderungen des Heissdampfes ausgeregelt, ohne dass durch den Wärmefühler ein Bewegungsimpuls erteilt wird.
Bei Verwendung von Wasser als Kühlmedium ist es zweckmässig, dasselbe beim Eintritt in den Heissdampf fein zu zerstäuben. Hiebei ist die Wirkung des Zerstäubers unter anderm abhängig von der Geschwindigkeit des Kühlmediums im Querschnitt der Zerstäuberdüse. Bei den gleichbleibenden Düsenquerschnitten sinkt die Zerstäuberwirkung infolge Geschwindigkeitsverminderung im Düsenquerschnitt bei Sinken der Menge des Kühlmediums. Fig. 3 zeigt eine bekannte Ausführung, bei welcher die Zerstäubungswirkung bei jeder Menge des Kühlmediums gleichbleibt. 1 ist die Heissdampfleitung, 3 die Zuführungsleitung für das Kühlmedium unter einem höheren Druck, als er in der Leitung 1 herrscht.
Der veränderliche Spalt zwischen dem Ventilkegel38, welcher auf der vom Servomotor 5 oder 15 bewegten Ventilspindel befestigt ist oder mit ihr aus einem Stück besteht, und dem Mundstück 37 bildet den von der Regelvorrichtung gesteuerten Ausströmquerschnitt des Kühlmediums in den zu kühlenden Heissdampf.
Hiedurch ist bei jeder beliebigen von der Regelvorrichtung eingestellten Menge des Kühlmediums die Geschwindigkeit des Kühlmediums im Ausströmquerschnitt und damit der Zerstäubungseffekt gleich
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und dem Druck in der Heissdampfleitung 1.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Kühlung und selbsttätigen Regelung der Temperatur von strömendem Heissdampf beliebiger Spannung durch Einspritzen von Wasser oder Beimischung von Dampf geringerer Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den strömenden Dampf an einer Drosselstelle der Leitung erzeugte Differenzdruck zur Regelung des Kühlmittelzuflusses verwendet wird.