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Thermostatischer Dampfwasser-bzw. Kondensatableiter
Die Erfindung betrifft einen thermostatischen Dampfwasser- bzw. Kondensatableiter mit einer einen Einlass und einen Auslass aufweisenden Arbeitskammer und einer in der Kammer vorgesehenen, hermetisch geschlossenen, im Volumen veränderbaren Druckkammer, die von einem Balg, einem Zylinder mit einer Membran oder einem Zylinder und einem darin gleitenden Kolben gebildet ist und die die Bewegung des Abschlussorgans eines Ventils zum Öffnen und Schliessen des Auslasses der Arbeitskammer in Abhängigkeit vom jeweiligen Zustand des darin befindlichen Mediums steuert.
Bei bekannten Dampfwasser- bzw. Kondensatableitern dieses Typs ist es üblich, eine leicht verdampfbare Flüssigkeit, wie Alkohol, Äther od. dgl., zu verwenden, die in die Druckkammer flüssig- keits-und gasdicht eingeschlossen ist und als wärmeempfindliches Kontroll- bzw. Regelmedium wirkt.
Diese bekannten Ableiter haben die folgenden Nachteile :
1. Da der Dampfdruck der Flüssigkeit innerhalb der Druckkammer beträchtlich höher ist als der Dampfdruck ausserhalb dieser Kammer, wird die Sättigungstemperatur des Regelmediums sehr stark herabgesetzt, wenn sein Druck niedriger wird als der Dampfdruck ausserhalb der Kammer. Es muss dann die Temperatur des die Kammer umgebenden Kondensates auf einen ziemlich niedrigen Wert absinken. Aus diesem Grund sind Ableiter dieses Typs nicht besonders empfindlich. Wenn z. B. Alkohol als Füllmittel im Balg verwendet wird, beträgt die Sättigungstemperatur bei 3 Atmosphären etwa 1160 C. In diesem Augenblick ist die Sättigungstemperatur des Wasserdampfes ausserhalb des Balges etwa 1430 C bei 3 Atmosphären.
Daher muss die Temperatur des Kondensats um 27 C (von 143 auf 1160 C) sinken, um den Druck innerhalb und ausserhalb der Druckkammer gleich zu machen. Ein so grosser Temperaturunterschied von 27 C macht den Ableiter unempfindlich und bewirkt, dass das Kondensat sich verhältnismä- ssig lange in der dampfbeaufschlagten Maschine befindet, was sich auf die Funktion nachteilig auswirkt.
2. Flüssigkeiten mit einem niedrigen Siedepunkt, insbesondere Alkohol, Äther u. dgl., verdampfen leicht an der Luft. Wenn sie in die Druckkammer eingebracht werden, können sie leicht verschüttet werden und verlorengehen. Es ist demnach schwierig, die Kammern mit der genauen Menge zu füllen, und die Montage wird schwieriger, um die erforderliche Dichtung sicherzustellen.
3. Wenn Heizdampf in den Ableiter strömt, wird die Bewegung des Balges wegen der Erhöhung des Sättigungsdruckes der im Balg befindlichen Flüssigkeit beschränkt, was den Gebrauch des Ableiters unmöglich macht, so dass der Arbeitsdruckbereich eng begrenzt und der Ableiter für überhitzten Dampf unwirksam ist. Zum Beispiel hat Wasserdampf bei einer Sättigungstemperatur von 199 C einen Sättigungsdruck von etwa 15 Atmosphären. Im Falle von Alkohol betragt der Sättigungsdruck bei einer Sättigungstemperatur von 199 C etwa 27 Atmosphären. Daher wird der Druck in der Druckkammer um etwa 12 Atmosphären höher.
4. Während des Gebrauches der bekannten Ableiter besteht ein Druckunterschied, wobei der Druck innerhalb der Druckkammer gewöhnlich höher ist als ausserhalb der Druckkammer. Dieser Druckunterschied hat nachteilige Wirkungen auf die Membran oder den Balg der Druckkammer, indem die Tendenz besteht, dass es zu einer permanenten Einstellung kommt.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten. Erfindungsgemass
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wird ein thermostatischer Dampfwasser- bzw. Kondensatableiter mit einer Druckkammer für ein Kontrollmedium und mit einem durch Ausdehnung des Mediums in der Kammer während der Verdampfung und durch Zusammenziehen des Mediums während der Kondensation betätigbaren Ventil vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Abschlussorgan zum Öffnen und Schliessen des Auslasses und der Arbeitskammer eine an die Druckkammer anschliessende Regelkammer vorgesehen ist, wobei die Regelkammer mit Öffnungen geringen Querschnitts mit der Arbeitskammer in Verbindung steht, und dass in der Druckkammer ein Gemisch eines Mediums von im wesentlichen gleicher Beschaffenheit wie das Betriebsmedium des Ableiters und Luft eingeschlossen ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und der bei ihrer Verwendung erreichbaren spezifischen Effekte wird auf die nachfolgende Beschreibung an Hand der Zeichnungen verwiesen. In den Zeichnungen zeigt Fig. l einen Querschnitt eines herkömmlichen Dampfwasserableiters mit einer Arbeitskammer und einer als Balg ausgebildeten Druckkammer, die mit einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit, z. B. Alkohol, gefüllt ist. Fig. 2 ist eine entsprechende Ansicht eines erfindungsgemässen Ableiters, der zusätzlich eine an die Balg-Druckkammer anschliessende Regelkammer aufweist, wobei die Druckkammer mit einem Gemisch eines Mediums von im wesentlichen gleicher Beschaffenheit wie das Betriebsmedium des Ableiters und Luft gefüllt ist. Fig. 3 ist ein Querschnitt einer bevorzugten Ableiterkonstruktion gemäss der Erfindung.
Fig. 4 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, wobei das Ventil in der geschlossenen Stellung ist. Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 3. Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemässen Ableiter mit einer Membran. Die Fig. 7a, 7b, 7c und 7d sind vergrösserte Teilansichten im Schnitt und zeigen den Regelkolben gemäss den Fig. 3-5, wobei die verschiedenen Querschnittsausbildungen des Kolbenringes ersichtlich sind. Fig. 8 ist ein Querschnitt einer andern Ausfüh-
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ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8 und zeigt das Ventil in geöffneter Stellung. Fig. 11 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 11-11 in Fig. 8.
In den Fig. 1 und 2 ist der Ableiter allgemein mit 40 bezeichnet. Das Arbeitsmedium, z. B. Wasserdampf, gelangt durch den Einlass A in die Arbeitskammer D des Ableiters. In der Arbeitskammer ist eine als Balg 44 ausgebildete, hermetisch geschlossene Druckkammer E für das Kontrollmedium vorgesehen, wobei bei Verdampfen und Ausdehnung des Mediums in der Kammer E das am unteren Teil derselben vorgesehene Ventil, bestehend aus dem Abschlussorgan 18 und dem Ventilsitz 19, geschlossen bzw. bei Kondensation des Mediums geöffnet wird. Das sich im unteren Teil der Arbeitskammer D ansammelnde Kondensat wird über die im Ventilsitz 19 vorgesehene Bohrung G durch den Auslass H entleert.
Wie bereits erwähnt, weist der in Fig. 2 dargestellte verbesserte Ableiter gemäss der Erfindung zusätzlich eine Regelkammer R auf, die ein die Druckkammer E mit dem daran befestigten Abschlussorgan 18 sowie den Ventilsitz 19 umschliessendes Gehäuse bildet. Die Regelkammer R steht über Öffnungen F geringen Querschnitts mit der Arbeitskammer D in Verbindung. Die Funktion dieser Regelkammer wird im folgenden noch näher erläutert werden.
In den Fig. 3-5 ist eine verbesserte Konstruktion eines erfindungsgemässen Ableiters veranschaulicht, der allgemein mit 50 bezeichnet ist. Der Ableiter 50 umfasst einen unteren Körper 1 mit einem mit Gewinde versehenen Einlass A und einem mit Gewinde versehenen Auslass H. Der untere Körper 1 passt mit einem oberen Körper oder Deckelteil 7 zusammen und die beiden Teile sind mit Hilfe von Bolzen 16 zusammengehalten. Der untere Teil 1 und der obere Teil 7 sind mit Verbindungskanälen versehen, die aus einem sich nach unten erstreckenden Fangteil, einem Umlenkteil B und einem aufsteigenden Teil C bestehen, der sich in eine Filterkammer erweitert, die sich im Dekkelteil 7 befindet, in welcher Kammer ein ringförmiges Filter 8 angeordnet ist.
Der Strom des hereinkommenden Dampfes wird durch den Einlass A, den Teil B und den Teil C bis zu dem einen Ende des Filters 8 geleitet und strömt durch die Perforierungen des Filters nach unten in die Arbeitskammer D, die von einem hohlen Zylinder 52 gebildet wird. Das Filter 8 kann von einem Ende des Deckelteiles 7 entfernt werden ; es wird darin mit Hilfe eines gro- ssen Gewindebolzens 13 in Lage gehalten, welcher seinerseits in seinem Inneren ein Gewinde besitzt, so dass ein Einsatzbolzen 14 eingeschraubt werden kann. Der Teil 1 weist einen Auslasskanal 54 auf und nimmt das untere, mit Aussengewinde versehene Ende eines Zylinderhalters 3 auf.
Der untere Teil des Zylinderhalters 3 dient als Regelkammer R und ist mit Öffnungen F versehen, die als Einlasse für das sich in dem Kondensatsumpf der Kammer D sammelnde Kondensat dienen.
Ein Ventilsitz 19 ist in das innere, untere Ende des Zylinderhalters 3 eingeschraubt. Er ist durchbohrt und schafft einen Durchlass von der Kammer R zu dem Auslass H.
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In den Zylinderhalter 3 ist ein Zylinder 9 eingeschraubt, welcher mit einem aufragenden zentralen Hals versehen ist, über dem sich ein Schirm 20 befindet. Der Schirm wird mittels eines Gewindebolzens 11, welcher in den zentralen hohlen Teil des Zylinders 9 eingeschraubt ist, in Lage gehalten. Ein O-Ring 10 ist vorgesehen, um eine sichere Abdichtung der Druckkammer E zu gewährleisten. Im Zylinder 9 ist ein Kolben 6 gleitend angeordnet. Dieser Kolben trägt an seinem unteren Ende eine Schraubmutter 4, welche ein Ventilelement bzw. eine Nadel 18 trägt, die in den Ventilsitz 19 zum Verschliessen des darin befindlichen Auslasses G einsetzbar ist. Der Kolben 6 ist mit mehreren ringförmigen Eindrehungen 56 versehen, von denen mindestens einige ein Ringglied 5 tragen.
Gemäss einem Merkmal der Erfindung wird die Druckkammer E mit demselben Medium, welches sich ausserhalb der Druckkammer befindet, in Mischung mit Luft gefüllt, worauf die Kammer mit dem Stopfen 11 dicht verschlossen wird. Das durch das Filter 8 strömende Kondensat wird von dem Schirm 20 abgelenkt und tropft in den Kondensatsumpf der Kammer D hinunter.
Wenn der Dampf durch den Einlass A eingeleitet wird, strömt er zuerst nach unten, um den Teil B herum, und dann nach oben zum Kanal C und in das Filter 8. In diesem Augenblick ist die Temperatur im Inneren des Ableiters verhältnismässig niedrig, so dass der Druck der Mischung in der Druckkammer E ebenfalls niedrig ist. Der Kolben wird daher durch den Dampfdruck ausserhalb der Druckkammer E gehoben. Dies verursacht das Öffnen des Auslassventils, und so strömen das Kondensat und die in dem Kondensatsumpf vorhandene Luft von der Einlassöffnung F der Regelkammer R durch die Ventilöffnung G zur Auslassöffnung H.
Wenn die Entleerung des Kondensats beendet und ein etwa zurückbleibender Teil zu Dampf geworden ist, wird das Medium im Inneren der Druckkammer E durch den die Kammer umgebenden Dampf erhitzt, verdampft und breitet sich aus, bistsein Druck gleich dem Sättigungsdruck des aussen befindlichen Dampfes ist. Dies bewirkt, dass der Kolben 6 gesenkt und das Ventilelement 18 auf den Ventilsitz 19 bewegt wird, so dass sich die Öffnung G schliesst und kein weiteres Medium durch den Auslass H strömen kann. Eine solche Stellung ist in Fig. 4 angedeutet. Wenn sich in dem Sumpf D genügend Kondensat angesammelt hat, um die Druckkammer E zu kühlen, wird das Medium in der Druckkammer auf niedrigeren Druck kondensiert. Dies bewirkt das Heben des Kolbens 6 und das Öffnen des Auslassventils 18, 19, so dass das Kondensat entleert wird.
Nach Beendigung des Entleerens des Kondensats wird das Ventil durch das Erwärmen der Druckkammer auf Grund der grösser werdenden Menge des einströmenden Dampfes wieder geschlossen. Auf diese Weise betätigt die Einrichtung automatisch das Öffnen des Ableiters und die Entleerung des Kondensats, wenn sich so viel Kondensat angesammelt hat, dass eine Entleerung des Kondensats erwünscht ist.
Der beschriebene Ableiter hat den Vorteil, dass er äusserst empfindlich ist und eine rasche Regelung ermöglicht. Wenn nämlich das Kondensat vollkommen entleert ist und Dampf an seine Stelle getreten ist, fällt der Druck in der Regelkammer R, weil der Reibungswiderstand von Dampf kleiner ist als jener des Kondensats und der durch die Öffnungen F eindringende Dampf bei höherer Geschwindigkeit strömt. Das Ventil schliesst also, ohne dass darauf gewartet werden muss, dass die Druckkammer erhitzt wird.
In Fig. 6, die eine ähnliche Ansicht wie die Fig. 3 zeigt, wobei gleiche bzw. ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, ist ein erfindungsgemässer Dampfwasser- bzw. Kondensatablei- ter 42 mit einer Druckkammer E, die aus einem mit einer Membran 46 abgeschlossenen Zylinder 48 besteht, dargestellt. Die Funktion dieses Ableiters ist ähnlich, wie im Zusammenhang mit den Fig. 3, 4 und 5 im einzelnen beschrieben wurde.
In den Fig. 7a, 7b, 7c und 7d sind verschiedene Ausführungsformen ringförmiger Dichtungen gezeigt, die verwendbar sind und die ähnlich dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ring sind. In Fig. 7a wird ein Ring 5'mittels eines metallenen inneren Ringes 60 in Spannung gehalten. In Fig. 7b wird ein
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in Fig. 7d ist ein Kolbenring 5"", der einen inneren, im wesentlichen U-förmigen Spannring 60" besitzt, der innerhalb des hohlen Aussenteiles des Kolbens angeordnet ist, gezeigt.
In den Fig. 8-11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bestehend aus einem allgemein mit 62 bezeichneten Dampfwasserableiter, welcher aus sehr wenigen Teilen in einfacher Weise hergestellt ist. Er umfasst einen unteren Teil 64, eine allgemein mit 66 bezeichnete Regelungseinrichtung für die Ableitung, wobei diese Einrichtung auf einen erhöhten zentralen Teil 68 des Teiles 64 aufgeschraubt ist und sowohl die Druckkammer E als auch die Regelkammer R definiert,
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und einen Deckelteil oder eine Hülse, die mit 70 bezeichnet ist.
Der Teil 64 besitzt eine mit Gewinde versehene Öffnung zur Aufnahme eines Ventilsitzes 19, welcher eine die Kondensatauslassöffnung G bildende Bohrung aufweist.
Die Regeleinrichtung 66 umfasst einen Zylinder 74, in dessen Innerem ein Kolben 76 gleitend angeordnet ist, der einen Ventilteil 18 aufweist. Dieser ist mit dem Kolben aufwärts und abwärts bewegbar, um die Öffnung G zu öffnen oder zu schliessen. Der Kolben 76 besitzt eine sich erweiternde ringförmige obere Ausnehmung 78 zur Aufnahme eines Schmiermittels und eine äussere, untere ringförmige Ausnehmung 80 zur Unterbringung eines Kolbenringes aus hitzebeständigem und korrosionsbeständigem synthetischem Gummi od. dgl.
Ein Kontrollmedium derselben Eigenschaften wie das durch denDampfwasserableiter 62 geleitete in Mischung mit Luft befindet sich im Inneren des Zylinders oberhalb des Kolbens in einer Druckkam-
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Ableiter als Dampfwasserableiter verwendet werden soll, aus Alkohol und Luft für einen Alkoholableiter, aus flüssigen Kohlenwasserstoffen und Luft für einen Ableiter für verflüssigte Kohlenwasserstoffeu. dgl.
Dampf wird durch die Öffnung A in den Teil 64 eingelassen und strömt nach oben in einen Speicher 86 der Arbeitskammer D, so dass das Medium in der Druckkammer E erwärmt und auf Grund der Verdampfung des Mediums ein Druckanstieg in der Kammer verursacht wird. Der Kolben 76 wird nach unten bewegt, wodurch der Ventilteil 18 in den Ventilsitz 19 eingreift und die Öffnung G schliesst. Die zur Abwärtsbewegung des Kolbens 76 erforderliche Kraft ist der Druckunterschied zwischen dem Dampfdruck in der Druckkammer und dem Druck des Mediums in der Regelkammer R unter dem Kolben 76.
Im Falle eines Dampfwasserableiters, wobei das Konirollmedium in der Druckkammer E aus Wasser und Luft besteht, ist der Druck in der Druckkammer immer höher, u. zw. um das Mass des Partialdruckes der Luft, als der Dampfdruck ausserhalb derselben unter der Voraussetzung, dass beide dieselbe Temperatur haben. Überdies ist der Druck unter dem Kolben 76 wegen der Dampfströmung durch die Öffnung G niedriger. Dieser Druckunterschied bewirkt, dass der Kolben 76 sich nach unten bewegt, wenn das Kondensat durch die'Auslassöffnung G nach aussen dringt.
Wenn sich das Ventil 18, 19 schliesst, fliesst Kondensat im Speicher 86 und durch die Öffnung F, so dass der Dampfdruck des Kontrollmediums von dem durch das sich in der Arbeitskammer D ansammelnde Kondensat hervorgerufenen Temperaturabfall beeinflusst wird, wodurch sich der Kolben 76 wieder nach oben bewegt und das Kondensat ausfliesst.
Da der Kondensatspeicher 86 immer dem Druck des umlaufenden Dampfes unterworfen ist, bleibt die Temperatur darin im wesentlichen konstant. Der auf die Unterseite des Kolbens 76 wirkende Druck, also der Druck in der Regelkammer R, wird daher grösser sein als der auf die Oberseite wirkende Dampfdruck, und der Kolben wird sich nach oben bewegen, wobei das Ventil 18, 19 geöffnet wird und den Ausfluss des Kondensats durch den Auslass H freigibt.
Der Hauptvorteil des erfindungsgemässen Ableiters ist es, dass er sehr empfindlich ist und dadurch eine rasche Regelung gewährleistet. Wenn ein Medium derselben Eigenschaften wie jenes, welches rund um den Kontrollmediumbehälter zirkuliert, in Mischung mit Luft verwendet wird, ergibt sich ein Druckunterschied zwischen dem Raum innerhalb der Druckkammer E und dem Raum R ausserhalb der Druckkammer, ganz gleichgültig, wie klein der Temperaturunterschied ist. Der Ableiter wird nur betätigt, wenn ein Druck, entsprechend dem auf das Auslassventil wirkenden Rückdruck, erzeugt wird, und die Funktion ist nicht auf einen bestimmten Temperaturbereich beschränkt, wie dies bei bekannten Einrichtungen der Fall war, wo andere Medien verwendet wurden.
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Strömungskapazität bestimmt. Die folgenden Ausführungenwasser- bzw.
Kondensatableiter kleiner gestaltet werden kann als die bisher bekannten Ableiter.
Solange sich bei geschlossenem Ventil Kondensat in der Arbeitskammer D sammelt, ist der Druck in dieser Kammer konstant ; doch dann wird die Temperatur des Kondensats allmählich niedriger als die Temperatur in der Druckkammer, so dass der Druck in der Kammer sinkt. Im Augenblick des Schliessens des Ventils ist die folgende Formel gegeben :
Pla = Po (a-b), worin a die Querschnittsfläche des Kolbens, b die Querschnittsfläche der Ventilöffnung, Po der Druck an der Aussenseite des Kolbens (Dampfdruck) und P. der Druck innerhalb der Druckkammer E
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ist, und in diesem Fall ist die Ventilöffnung an der freien Luft und P, P sind Manometerdrucke.
Dann ist
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Wenn Dampfdruck P und die Fläche des Ventilschlitzes b gegeben sind, kann durch Bestimmen des Druckes der Druckkammer die Querschnittsfläche a des Kolbens berechnet werden. Bei verschiedenem wärmeempfindlichem Medium ist, verglichen mit der Anwendung desselben wärmeempfindlichen Mediums, ein grösseres Temperaturgefälle notwendig, um einenDruckP zu erhalten, der grösser ist als P. So ist es unvermeidlich, dass der Ableiter unempfindlich ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es im Falle der Verwendung eines verschieden wärmeempfindlichen Mediums wünschenswert, dass der Ableiter mit dem kleinstmöglichen Druckunterschied arbeitet, d. h. dass der Druck P so nah wie möglich dem Druck P sein soll.
Doch muss zu diesem Zweck die Querschnittsfläche a des Kolbens ziemlich gross sein, so dass der Ableiter bei gleichbleibender Kapazität grösser wird.
Bei der Erfindung, wo in der Druckkammer ein Gemisch eines Mediums von im wesentlichen gleicher Beschaffenheit wie das Betriebsmedium des Ableiters und Luft eingeschlossen ist, ist der Temperaterunterschied bei einem gegebenen Druckabfall klein. Es wird daher sogar dann ein ausreichender Druck erreicht, wenn die Querschnittsfläche des Kolbens sehr klein ist. Es ist möglich, bei gleichbleibender Kapazität einen Ableiter mit viel kleineren Dimensionen herzustellen, als dies früher der Fall war.
Da das wärmeempfindliche Medium im Inneren der Druckkammer gemäss der Erfindung neben Luft aus demselben Medium besteht, das auch ausserhalb der Druckkammer verwendet wird, findet kein Verbrauch an Medium statt. Es besteht auch nicht das Problem, die beiden Medien getrennt zu halten, und wenn ein Lecken auftritt, kommt es zu keiner Verunreinigung.