Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messen der
Enthalpieänderung und Vorrichtung zu seiner Durchführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messen der Enthalpieänderung.
Von den bisher bekannten Methoden des Messens der Dampffeuchtigkeit sei zunächst die Separationsmethode erwähnt, die grösstenteils durch Mess- methoden überholt ist, die sich des bekannten Dros selkalorimeters bedienen. Ihr Nachteil besteht darin, dass die Messungen mühsam und zeitraubend sind, wobei in den meisten Fällen nicht die Ergebnisse erzielt werden, die unerlässlich sind, insbesondere eine genügende Genauigkeit. So ist es z. B. nicht möglich, die Messmethode mit einem Drosselkalorimeter bei dem Austrittsdampf von Kondensationsturbinen anzuwenden, da sich auch bei einer gro ssen isenthalpischen Expansion der aus der Endstufe der Turbine strömende Nassdampf in einen über- hitzten Dampf nicht überführen lässt.
Für den wirtschaftlichen Betrieb von Wärme- kraftanlagen ist eine ständige Kenntnis der Dampffeuchtigkeit von besonderer Bedeutung, denn sie ermöglicht das Verfolgen des Wirkungsgrades der Dampfturbinen. Ebenso für die konstruktive Entwicklnung von Turbinen sind Erkenntnisse über die Strömung des Nassdampfes in der Rohrleitung und vor den Wärmeaustauschern von ausschlaggebender Bedeutung. Ebenso wichtig und notwendig ist, die Dampffeuchtigkeit in den Überhitzern bei den Dampfkesseln zu kennen. Die so gewonnenen Erkenntnisse dienen zur Feststellung der Turbinencharakteristik während des Betriebes. Es wurde bereits verschiedentlich angestrebt, Verfahren zu finden, die ein schnelles Messen erlauben würden.
Die vorliegende Erfindung löst diese schwierige Aufgabe dadurch, dass dem Nassdampf so viel Wärme zugeführt wird, dass derselbe in den Zustand über- hitzten Dampfes und dann durch Zuführung weiterer Wärme in den Zustand einer höheren tuber- hitzung übergeht,
wobei aus dem Anstieg der Enthalpie vom Zustand der niedrigeren in den Zustand der höheren Dberhitzung und aus dem Ver hältnis der dem Dampf in den erwähnten zwei Erhitzungsstufen zugeführten Wärmeengen der Anstieg der Enthalpie vom unbekannten Zustand des Nassdampfes in den Zustand der niedrigeren tuber- hitzung bestimmt und somit auch der jeweilige Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes festgestellt wird.
Die Anwendung der vorgeschlagenen Messingeinrichtungen ist selbstredend nicht nur auf Wärme- kraftanlagen beschränkt, sondern kann überall dort ausgenützt werden, wo die ständige Kenntnis der jeweiligen Dampffeuchtigkeit betriebstechnisch wichtig ist, wie z. B. in der chemischen Industrie u. a. m.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht im wesentlichen auf folgendem Prinzip : Wird dem Nassdampf, dessen Temperatur mit to, der Druck mit Po und der unbekannte Feuchtigkeitsgrad mit oxo bezeichnet sei, mittels der Heizleistung eines Mess- fühlers eine entsprechende mit Q t bezeichnete Wärmemenge zugeführt, so geht der Dampf in einen ganz bestimmten Zustand des überhitzten Dampfes über, dessen Temperatur mit t1 und den Druck mit p, bezeichnet werden.
Wird nun diesem so überhitzten Dampf durch zusätzliche Beheizung des Mess- fühlers eine mit Q2 bezeichnete weitere Wärme- menge zugeführt, so geht der Dampf in einen ganz bestimmten Zustand der höheren fJberhitzung über, bei welchem die Temperatur mit t2 und der Druck mit P2 bezeichnet seien. D. ie Drucke po, pi und p2 können gleich gross sein. Im allgemeinen muss jedoch angenommen werden, dass nicht immer eine isoba- rische Änderung gegeben sein wird und somit auch die Drücke nicht unverändert bleiben.
Für den Anstieg der Enthalpie gelten allgemein die nachfolgenden Beziehungen :
Der Anstieg von dem Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter to und po, in einen Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter tl und pl, ist gegeben durch : S il = Q1
M
Der Anstieg vom Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter t, und pr, in einen Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter t2 und P2, ist gegeben durch : z1 i2 = Q2
M wobei M die unbekannte Dampfdurchflussmenge bedeutet.
Ein Vergleich der beiden Enthalpie-Differenzen ergibt : i1 i2 Q2
Id i2 Q2
Daraus folgt nun, dass das gegenseitige Verhält- nis der Enthalpie-Differenz weder von der Dampfdurchflussmenge noch von der Dampfdurchflussge- schwindigkeit abhängt. Nachdem weiters Q1 sowie Q2 durch die messbaren Werte der für den elek trischen Heizkörper jeweils nötigen Heizleistungen gegeben sind und da ferner die Grösse der Enthal pie-Differenz J i2 aus einem Wävrmediagramm, z.
B. aus dem JS-Diagramm, dem JP-Diagramm bzw. dem JT-Diagramm direkt abgelesen werden kann, ist man imstande,. lit aus der Gleichung
Q, Ai, zu zu berechnen und bei Anwendung des dem jeweiligen Betriebsverhältnis entsprechenden Wärmedia- gramms den Feuchtigkeitsgrad des untersuchten Nassdampfes direkt festzustellen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert, die in Fig. 1 ein JS-Diagramm darstellt. In dieser Zeichnung bedeutet die voll ausgezogene Linie den linken sowie den rechten Teil der Grenzkurve mit dem darin eingetragenen kritischen Punkt. Aus diesem Diagramm sind weiters die Isobaren ersichtlich, die den Drücken pu, pi und p. entsprechen, ferner die Isothermen, die sich auf die Temperaturen to, ti und t2 beziehen. Weiters enthält das Diagramm ein System von Kurven gleichen Feuchtigkeitsgrades x, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Die stärker ausgezogene gestrichelte Linie bezeichnet eine Kurve mit dem gesuchten Feuchtigkeitsgrad xo.
Die eingetragenen Punkte A, B und C kennzeichnen die jeweiligen Zustände des Nassdampfes bzw. des über- hitzten Dampfes. Der Punkt A entspricht den Parametern pu, to und xo des Nassdampfes, der Punkt B den Parametern pu, tri des überhitzten Dampfes und der Punkt C den Parametern P2, t2 des in der weiteren Stufe überhitzten Dampfes. Die Enthalpie Differenz der Zustände A-B, bezeichnet mit J ill ist durch die Lage der Punkte D-E gegeben, die Enthalpie-Differenz der Zustände B-C, mit J i2 bezeichnet, erscheint gegeben durch die Lage der Punkte E-C.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens werden drei beispielsweise Varianten von Vorrichtungen vorgeschlagen und in den Fig. 2 bis 4 schematisch dargestellt, die sich eines dem jeweiligen Zweck angepassten Messfühlers bedienen. Der Mess- fühler ist als ein zylindrischer Hohlkörper ausgeführt, der so angebracht wird, dass er vom Nassdampf durchflossen bzw. auch umflossen wird.
Mit dem Eintrittsteil beginnend, befinden sich in dem Messfühl, er Messstellen für die Messung des Druckes pO des den Fühler umfliessenden Dampfes, weiters Messstellen für die Messung des Drukkes pO und der Temperatur to des den Fühler durchfliessenden Nassdampfes und ein Heizkörper, der elektrisch beheizt wird und welcher dem Nassdampf, der die Parameter po, to, xo aufweist, die Wärme- menge Qt zuführt. Durch deren Zuführung geht der Nassdampf in den Zustand des überhitzten Dampfes mit den Parametern P1, tl über.
Anschliessend sind vorgesehen : Messstellen für das Messen des Druckes p, und der Temperatur t, des in der vorhergehenden Stufe überhitzten Dampfes, ein weiterer elektrisch beheizter Heizkörper, der dem überhitz- ten Dampf mit den Parametern pl, t, eine weitere Wärmemenge Q2 zuführt. Durch Zuführung dieser zusätzlichen Wärmemenge geht der Dampf in den durch die Parameter p", gegebenen Zustand über.
Weiters folgen Messstellen für die Messung des Druckes p., und der Temperatur t2 des Dampfes nach der zweiten Uberhitzung. Der Austrittsteil des Messfühlers mündet in ein Austrittsrohr.
In Fig. 2 bedeutet 1 einen zylindrischen Hohlkörper des Fühlers, 2 sind Messstellen zum Messen der Drücke innerhalb des Messfühlers, die durch ein gemeinsames Rohr verbunden sind, an dessen Austritt 3 ein Mikromanometer angebracht ist. 2a sind Messstellen des Druckes pOn 2b Messstellen des Druckes pl und 2c Messstellen des Druckes P2. Mit 4 sind Messstellen bezeichnet, die zum Messen des Druckes des umfliessenden Dampfes dienen, welche durch ein gemeinsames Verbindungsrohr verbunden sind, an dessen Austritt 5 ein Mikromanometer (nicht eingezeichnet) angebracht ist. 6 bezeichnet die Mess- stellen zum Messen der Temperaturen innerhalb des Messfühlers durch Thermoelemente.
Diese Mess- stellen sind ebenfalls durch ein gemeinsames Verbindungsrohr verbunden, durch das die Leitungsdrähte der Thermoelemente herausgeführt sind. 6a bezeichnet die Messstellen der Temperatur to, 6b der Temperatur ti und 6c der Temperatur t2. 8 sind Heizkörper, durch die der Dampf fliesst, wobei der Heizkörper 8a für die erste und der Heizkörper 8b für die nachfolgende Uberhitzung dient.
Weiters bezeichnet 9 ein Austrittsrohr des Messfühlers, 10 ein Millivoltmeter zum Messen der Thermoelementströme, 11 der Bezugspunkt für die Messung der Temperatur mittels der Thermoelemente. 12 ist eine Apparatur, die direkt das Verhältnis der beiden Heizleistungen indiziert, das heisst der Werte Q, und Q2. Diese Apparatur kann durch zwei Wattmeter ersetzt werden, welche getrennt die Heizleistung der beiden Heizkörper messen. Auch können zwei Strommesser verwendet werden, mit denen der Stromverbrauch eines jeden Heizkörpers für sich gemessen wird. 13 bezeichnet Potentiometer für die Regulierung der Heizleistung der Heizkörper.
Fig. 3 und Fig. 4 stellen zwei Beispiele zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens dar.
Gemäss Fig. 3 dient der Messfühler zur Messung der Dampffeuchtigkeit hinter der Turbine, wo der Druck erheblich niedriger ist als der atmosphärische Druck.
Fig. 4 veranschaulicht ein Beispiel der Verwendung des Messfühlers bei der Messung der Dampffeuchtigkeit in der Dampfrohrleitung, wo der Druck den atmosphärischen Druck übersteigt.
In diesen Figuren stellt 1 den Körper des Mess- fühlers dar, 9 ist das Austrittsrohr des Messfühlers, 15 eine Pumpe und 14 ein Regulierventil.
Die angeführten Beispiele erschöpfen bei weitem nicht alle Möglichkeiten der Ausnützung des be schriebenen Verfahrens und der zu seiner Ausfüh- rung vorgeschlagenen Vorrichtungen.
Von den Ausführungsmöglichkeiten seien folgende erwähnt :
Der Messfühler kann beispielsweise ausserhalb der Strömung des zu messenden Nassdampfes derart installiert werden, dass er vom Nassdampf durchflossen wird, der mittels einer Abnahmesonde entnommen wird. Weiters können bei dem Messfühler nur die Messstellen 6 vorgesehen sein, die zum Messen der Temperaturen des nassen und des über- hitzten Dampfes dienen sowie die Heizkörper 8, während alle Messungen der Drücke mit Hilfe selbstständiger Vorrichtungen durchgeführt werden.
Das Messen der Temperaturen und der Drücke geschieht mit Hilfe an sich bekannter Messfühler derart, dass jeder der zu messenden Werte gesondert erfasst wird, woraufhin dann gemeinsam mit der Heizleistung, anhand eines Nomogramms der Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes bestimmt wird. Auch können die bestimmenden Parameter, wie die Temperaturen, die Drücke sowie die Heizleistungen bzw. die Enthalpie-Änderungen mit Hilfe entsprechender Einrichtungen in elektrische Grössen überführt werden, die in zweckentsprechenden Apparaturen ausgewertet, den jeweiligen Feuchtigkeitsgrad angeben.
Die Anzeige der Dampffeuchtigkeit kann laufend indiziert und registriert werden, desgleichen alle bestimmenden Parameter einzeln für sich. Ferner kann die Auswertungsapparatur noch mit einer auto matischen potentiometrischen Kompensation ausgerüstet werden.
Das beschriebene Verfahren ist mit für die Betriebszwecke vollkommen ausreichender Genauigkeit bei beliebigen Parametern des Nassdampfes verwendbar. Der Vorteil des Verfahrens besteht insbesondere darin, dass es dabei nicht notwendig ist, die Dampfdurchflussmenge respektive die Dampfdurchflussgeschwindigkeit zu messen. Gegenüber bisher bekannten Methoden hat dieses Verfahren noch den wesentlichen Vorteil darin, dass es hochempfindlich ist, weil selbst kleine Änderungen der Dampffeuchtigkeit grosse Änderungen der Werte A i, respektive Q, zur Folge haben. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es ein kontinuierliches Messen ermöglicht, bei dem sämtliche Angaben ständig indiziert und registriert werden, so dass der Messvorgang laufend verfolgt werden kann.
Ebenso kann mit Hilfe von entsprechenden, auf einen bestimmten Betriebszweck eingestellten Apparaturen der Zustand des Nassdampfes ständig überwacht und die Angaben durch entsprechende Apparaturen zur Betätigung von Regelorganen ausgenützt werden.