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Einrichtung zum Regeln des an der höchsten geodätischen Stelle eines
Luftkondensationssystems herrschenden Wasserdruckes
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln des an der höchsten geodätischen Stelle eines
Luftkondensationssystems herrschenden Wasserdruckes.
Luftkondensationssysteme, die einen Mischkondensator nach einer Dampfturbine und einen luftge- kühlten Wärmeaustauscher enthalten, sind bereits bekannt. In Einrichtungen dieser Art wird das Kühl- wasser. das dann dem Kondensat gleich ist, durch eine Pumpe aus dem Mischkondensator über Rohrsysteme von Wärmeaustauschern zurück in den Mischkondensator umgewälzt. Es ist auch bekannt, bei derartigen
Systemen zu verhindern, dass bei Sickerungen oder unerwarteten Betriebsfehlern Luft in die Einrichtung bzw. in das System gelangt. Zwischen dem Druckstutzen der Umwälzpumpe und einem Organ zum Aufrechterhalten eines bestimmten Druckes wird im System ein Druck aufrechterhalten, der überall höher ist als der atmosphärische Luftdruck, wobei das genannte Organ, in der Strömungsrichtung gesehen, nach dem Wärmeaustauscher vorgesehen ist.
Organe zum Aufrechterhalten des Druckes dieser Art bestehen entweder aus einem geeigneten Ventil oder aus einer Wasserturbine. Im letzteren Fall kann bei Hochleistungseinrichtungen die potentielle Energie der durch die Umwälzpumpe bewirkten Druckzunahme gegen den im Mischkondensator herrschenden Unterdruck nutzbar gemacht werden. Das Organ zum Aufrechterhalten des Druckes, insbesondere die Wasserturbine, muss offensichtlich derart geregelt werden, dass der gewünschte Überdruck durch diese Regelung im gesamten System gewährleistet wird. Es ist auch bekannt, dass infolge des Aufbaues der üblichen Wärmeaustauscher die Strömung des Kühlwassers in einer senkrechten Richtung erfolgt. Somit fliesst das Kühlwasser z.
B. aus dem unteren Teil des Wärmeaustauschers zum oberen Teil desselben, wo es umgekehrt wird und ebenfalls in senkrechter Richtung abwärts fliesst, um dem Mischkondensator bzw. dem den Druck aufrechterhaltenden Organ zuzufliessen. In derartigen Fällen herrscht im System der geringste statische Druck immer an der höchsten geodätischen Stelle des Systems, so dass die Regelung praktisch darin besteht, das den Druck aufrechterhaltende Organ mit einem Steuerimpuls zu versehen, der in Abhängigkeit vom an der höchstliegenden geodätischen Stelle des den Wärmeaustauscher enthaltenden Systems herrschenden Druck abgeleitet wird.
Eine naheliegende Massnahme für die geschilderte Regelung wäre die Verstellung z. B. des Einlasses der erwähnten Wasserturbine über eine Rohrleitung, die die höchstliegende geodätische Stelle des Wärmeaustauschers bzw. des Luftkondensationssystems mit dem Einlass der Wasserturbine verbindet und den gewünschten Steuerimpuls liefert. Rohrleitungen dieser Art sind aber in der Regel lang und bestehen aus dünnen Rohren, die im Freien errichtet sind, oder allfällig aus elektrischen Leitungen von besonderer Zuverlässigkeit, deren Instandhaltung ziemlich heikel und umständlich ist, insbesondere bei Frostgefahr. Unter normalen Verhältnissen verweilt nämlich Wasser in diesen dünnen Rohrleitungen, in denen es der Gefahr des Einfrierens ausgesetzt ist, wenn die Wärmeisolierung der Rohrleitungen noch so wirksam ist.
Die Lage wird noch dadurch erschwert, dass die Wärmeaustauscher in der Regel in eine Anzahl von Ele- menten oder Einheiten unterteilt sind, die in einer von der Wetterlage abhängigen Zahl betrieben werden. Somit ist jede Einheit mit einem besonderen Impulsgeber zu versehen, da ein beliebiges Element auch
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allein betrieben werden kann. Aber nicht nur eine Anzahl von Impulsgeber, sondern auch eine entspre- chendeAnzahl von Umschaltvorrichtungen muss vorgesehen sein, damit die Anzeigen ausgeschalteter Wär- meaustauschereinheiten wirkungslos sind, während jene der eingeschalteten Einheiten entsprechend be- rücksichtigt werden, u. zw. in einem System, das bestimmt ist, eine vollkommen zuverlässige Betriebs- weise zu gewährleisten.
Die Frage der Regelung wäre ersichtlich sehr einfach, wenn ein System verwendet werden könnte, das den Druck in Abhängigkeit vom an der höchsten geodätischen Stelle des Systems herrschenden Druck ändert bzw. regelt, wenn zu diesem Zweck keine im Freien errichtete Impulsrohrleitungen und keine Umschaltvorrichtungen erforderlich wären.
Die Erfindung bezweckt vor allem die Schaffung eines Systems der oben beschriebenen Art, bei welchem aber die Steuerimpulse für das den Druck aufrechterhaltende Organ an zwei Stellen abgeleitet werden, wobei der eine Steuerimpuls unmittelbar vom Druckstutzen der Umwälzpumpe und der andere Steuerimpuls ebenfalls unmittelbar von einer Stelle abgeleitet wird, die, in der Strömungsrichtung gesehen, vor dem Druckregelungsorgan, d. h. vor dem Einlassstutzen der Wasserturbine, hegt. Die Entndtimestelle für den letzterenSteuerimpuls liegt somit, in der Strömungsrichtung gesehen, vor dem Druckregelungsorgan bzw. vor dem anstatt der Wasserturbine allfällig verwendeten druckvermindernden Ventil.
Da sowohl die Umwälzpumpe wie auch die Wasserturbine im Maschinenraum einer Kraftanlage unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und in der Regel eine gemeinsame Welle haben, sind die Impulsrohrleitungen der Frostgefahr in diesem Fall nicht mehr ausgesetzt. Auch ist es belanglos, welche Elemente oder Einheiten des Wärmeaustauschers betrieben werden.
Gemäss dem Grundgedanken der Erfindung können die statischen Drücke, die an den genannten Stellen gemessen werden, dazu dienen, den Wert des an der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustauschers herrschenden Druckes eindeutig zu ermitteln bzw. abzuleiten und zu bestimmen. Wenn nämlich Wärmeaustauscher verwendet werden, deren Rohre senkrecht angeordnet sind, wobei in der einen Hälfte des Wärmeaustauschers das Wasser aufwärts strömt, während in der andern Hälfte eine abwärtsgerichtete Wasserströmung stattfindet, ferner der statische Druck beim Druckstutzen der Umwälzpumpe Pl,
die Höhe der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustauschers über die gemeinsame axiale Mittel-
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des gesamten Systemsgeodätischen Stelle des Wärmeaustauschers herrschende statische Druck P iurch folgende Gleichungen bestimmt werden : P + h + r/2=P - (a.) und P+h-r/2=P (b) hieraus folgt, dass
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Ist somit bei bekannter geodätischer Höhe h für den Druck P ein konstanter Wert vorgeschrieben, hat die Regelung der einzigen Forderung gerecht zu werden, gemäss welcher der Wert (PI + Pt) konstant gehalten werden muss. Erfährt nämlich die umgewälzte Wassermenge eine Änderung. so wird durch diese Änderungen. lediglich. der Widerstand r geändert.
Der Wert (P) ist aber unabhängig von diesem Widerstand, wie dies aus der Gleichung (c) hervorgeht. Dies bedeutet, dass der Wert P des gewünschten und vorgeschriebenen Druckes keiner Änderung unterworfen ist, wenn die Summe der am Druckstutzen der Umwälzpumpe bzw. amEinlassstutzen der Wasserturbine herrschenden statischen Drücke konstant gehalten wird. Somit hat die Regelung ausschliesslich die Aufgabe, die Summe PI und P, der Drücke konstant zu halten. Als Impulsgeber ist demgemäss eine Druckintegriervorrichtung zu verwenden, die die Betätigung bzw. die Wirkungsweise des Druckregelungsorgans, d. h. des Ventils oder der Wasserturbine, beeinflusst.
Dies triftt auch für den Fall zu, wo die erwähnten geodätischen und hydraulischen Verhältnisse bezüglich des an der höchsten geodätischen Stelle herrschenden Druckes nicht symmetrisch sind. Eine Asymmetrie dieser Art tritt ein, wenn z. B. die axialen Mittellinien der Pumpe und der Wasserturbine nicht in derselben Höhe liegen oder der hydraulische Widerstand zwischen dem Druckstutzen der Umwälzpumpe und der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustauschers nicht dem Widerstand zwischen
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der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustauschers und der Wasserturbine gleich ist.
Es sei nämlich h der geodätische Höhenunterschied zwischen der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustau- schers und der axialen Mittellinie der Pumpe, h der geodätische Höhenunterschied zwischen der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustau- schers und der axialen Mittellinie der Wasserturbine, r der hydraulische Widerstand zwischen dem Druckstutzen der Umwälzpumpe und der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustauschers und r2 derhydraulische Widerstand zwischen der höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaustauschers und der Wasserturbine.
Dann ist offensichtlich
P +h1+r1=P1 (1)
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Da das Verhältnis der oben erwähnten hydraulischen Widerstände #=r2/r1 (2a) ist, folgt, dass r2=#, R1 ist. Beim Addieren der Gleichungen (1) und (2) wird
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erhalten. Da die Höhenunterschiede und h2 notwendigerweise konstant sind, während der Druck P auf einem vorbestimmten Wert konstant gehalten werden soll, wird bei Einführung von
2P+h1+h2=k1 (4). wo kl einen konstanten Wert bedeutet, P1+p2=k1+ (1-#)r1 (5).
Ferner nimmt die Gleichung (1) bei Einführung von
P + hl= k2 (6) die Form
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an, woraus folgt, dass schliesslich r1=p1-k2 (8) ist.
Wird dieser Wert in die Gleichung (5) eingeführt, so ist
P +p2=k1+(1-#)(p1-k2) und geordnet P2+#P1=k1- (1-#)k2 (9). und) omit
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Steuereinrichtung für den symmetrischen Fall ist in Fig. 1 dargestellt, wo das Kühlwasser durch eine Umwälzpumpe 3 über eine Rohrleitung 2 aus einem Mischkondensator 1 entfernt wird. Das Kühlwasser gelangt durch eine Rohrleitung 4 in einen Teil 5 eines Wärmeaustauschers. Aus diesem Teil strömt das Kühlwasser in eine Umkehrkammer 6 am oberen Teil des Wärmeaustauschers. Sodann fliesst es in den andern Teil 7 des Wärmeaustauschers, aus welchem es über eine RohrleitungS einer Wasserturbine 9 zufliesst. Durch die erfindungsgemässe Steuereinrichtung wird nun der Einlassquerschnitt der Wasserturbine 9 geregelt.
Das aus der Wasserturbine 9 entweichende Kühlwasser strömt durch eine Rohrleitung 10 in Spritzdüsen 11 des Mischkondensators 1, wodurch dann der Wasserkreislauf beendet ist. Die höchste geodätische Stelle der Einrichtung ist mit 12 bezeichnet. Der an dieser Stelle herrschende Druck P soll auf einem gewünschten Wert gehalten werden, der etwas höher ist als der atmosphärische Druck. Im Sinne der Erfindung wird aber der Druckimpuls nicht von dieser höchsten geodätischen Stelle abgeleitet. Anstatt dessen werden Stellen 13 und 14 für die Ableitung des Steuerimpulses gewählt, die den Druckstutzen der Umwälzpumpe 3 bzw. den Einlassstutzen der Wasserturbine 9 bezeichnen und je mit einem Druckfühler 15 bzw. 16 versehen sind. Die Druckfühler regeln z.
B. einen elektri- schen Widerstand in Abhängigkeit von den Änderungen des gefühlten Druckes Beide Druckfühler sind mit einem Regelorgan 17 verbunden, mittels dessen die durch die Druckfühler eingestellten Widerstände addiert werden. Ferner sind die Druckfühler 15 und 16 mittels eines Betätigungsorgans 18 verbunden, das vorgesehen ist, um den Einlassquerschnitt der Wasserturbine derart zu regeln, dass die Summe der Widerstände konstant bleibt. Der konstante Wert der Summe der Widerstände bedeutet einen konstanten Wert
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Rohrleitungen und des Wärmeaustauschers zwischen den Stellen 13 und 12 bzw. 12 und 14 ungleich sind.
In diesem Fall werden die bei den Stellen 13 und 14 herrschenden Drücke durch das Regelorgan 17 erst addiert, nachdem sie vorher im Verhältnis der hydraulischen Widerstände zwischen dem Druckfühler 13 und der höchsten geodätischen Stelle 12 des Wärmeaustauschers sowie zwischen dieser höchsten Stelle 12 und dem Druckfühler 14 gewogen worden sind. Das Regelorgan 17 hält diese gewogene Summe der Widerstände mittels des Betätigungsorgans 18 konstant.
Es sei z. B. angenommen, dass die hydraulischen Widerstände zwischen dem Druckfühler 15 und der Stelle 12 bzw. zwischen der Stelle 12 und dem Druckfühler 16 bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit des Wassers 2 bzw. 1 m Wassersäule entsprechen. Dann ist gemäss Gleichung (2a) der Faktor gleich 1/2. Nun soll gemäss Gleichung (10) der halbe Wert des durch den Druckfühler 15 gefühlten Druckes P, mit dem durch den Druckfühler 16 ermittelten Druck P2 addiert werden, wobei eine Änderung des elektrischen Widerstandes beim Druckfühler 15 um 1 Ohm z.
B. einer Druckänderung um 0, 1 m Was- sersäule, während eine Änderung des Widerstandes im Druckfühler 16 um 2 Ohm einer Druckänderung von 0, 1 m Wassersäule entspricht. Im übrigen arbeitet die Steuereinrichtung, wie dies beim Ausführungbeispiel gemäss Fig. 1 geschildert worden ist.
Die Erfindung ist an Hand von Regelorganen beschrieben worden, die elektrisch arbeiten. Anstatt elektrischer Regelorgane können aber offensichtlich beliebige andere Arten von Steuerorganen, wie hydraulische, mechanische und pneumatische Regelvorrichtungen verwendet werden. Die beschriebene Art der Steuerung wie auch die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen können auch verwendet werden, wenn die Wasserturbine 9 durch ein druckverminderndes Ventil ersetzt wird, wie dies insbesondere bei Luftkondensationsanlagen mittlerer Grösse vorkommen kann. In diesen Fällen dient das Betätigungsorgan 18 zum Ändern der Querschnittsfläche des Durchlassquerschnittes des druckvermindernden Ventils.
Sonst arbeitet aber die Einrichtung, wie dies an Hand der Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist.
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