Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messen des Anstieges der Enthalpie einer bestimmten Dampfdurchflussmenge bei ihrem Übergang aus dem Zustand des Nassdampfes in den Zustand des überhitzten Dampfes.
Für den wirtschaftlichen Betrieb von Wärmekraftanlagen ist eine ständige Kenntnis der Dampffeuchtigkeit von besonderer Bedeutung, denn sie ermöglicht das Verfolgen des Wirkungsgrades der Dampfturbinen. Ebenso für die konstruktive Entwicklung von Turbinen sind Erkenntnisse über die Strömung des Nassdampfes in der Rohrleitung und vor den Wärmeaustauschern von ausschlaggebender Bedeutung.
Ebenso wichtig und notwendig ist es, die Dampffeuchtigkeit in den Überhitzern bei den Dampfkesseln zu kennen. Die so gewonnenen Erkenntnisse dienen zur Feststellung der Turbinencharakteristik während des Betriebes. Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziele, mit Hilfe technisch einfacher Mittel verlässliche Unterlagen zu schaffen, die die Entwicklungsarbeiten an Dampfturbinen ermöglichen und erleichtern. Die Anwendung der vorgeschlagenen Messeinrichtung ist selbstredend nicht nur auf Wärmekraftanlagen 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. Bisher wurde die Dampffeuchtigkeit entweder durch die Separationsmethode bestimmt, häufiger noch durch Drosselkalorimeter.
Der Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, dass die Messungen mühsam und zeitraubend sind, wobei in den meisten Fällen nicht die Ergebnisse erzielt werden, die unerlässlich sind, besonders 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 grossen isenthalpischen Expansion der aus der Endstufe der Turbine strömende Nassdampf in einen überhitzten Dampf nicht überführen lässt.
Diese Nachteile sollen durch das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg der Enthalpie aus der Heizleistung eines den Nassdampf, dessen Feuchtigkeitsgrad zu bestimmen ist, in überhitzten Dampf überführenden elektrischen Heizkörpers und der gewichtsmässigen Dampfdurchflussmenge durch kontinuierliche Messung dieser beiden Werte, bei gleichzeitiger kontinuierlicher Messung der Temperatur und des Druckes des Nassdampfes sowie des überhitzten Dampfes, ermittelt und der Feuchtigkeitsgrad durch Auftragen des Anstieges der Enthalpie direkt aus einem Wärmediagramm bestimmt wird.
Wird dem Nassdampf, dessen Temperatur mit t0 > der Druck mit pO und der unbekannte Feuchtigkeitsgrad mit x0 bezeichnet ist, mittels der Heizleistung eines Messfühlers eine entsprechende mit Q bezeichnete Wärmemenge zugeführt, so geht der Dampf in einen ganz bestimmten Zustand des überhitzten Dampfes über, dessen Temperatur mit t1 und der Druck mit p1 bezeichnet werden, wobei dieser Über- gang isobarisch erfolgen kann.
Bei der Messung der Durchflussgeschwindigkeit w (bzw. des Volumens vl) und des aus diesen Parametern in an sich bekannter Weise abgeleiteten gewichtsmässigen Durchflusses M, kann a, uf Grund der allgemein bekannten Beziehung für den Anstieg der Enthalpie zwischen den Parametern t5 und p1 des Endzustandes (des Zustandes des überhitzten Dampfes) und den Parametern t0 und pO des Ausgangszustandes (des Zustandes des Nassdampfes) = = Q
M der Grad der Dampffeuchtigkeit x0 direkt aus einem geeigneten Wärmediagramm festgestellt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein IS-Diagramm des Wasserdampfes,
Fig. 2 einen Messfühler im Längsschnitt,
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Messfühler an der Stelle, bei der die Temperatur t0 bzw. t1 gemessen wird,
Fig. 6 die Verwendung eines Messfühlers hinter einer Turbine angeordnet und
Fig. 7 die Verwendung des Messfühlers zum Messen der Feuchtigkeit in einer Rohrleitung.
Fig. 1 stellt ein IS-Diagramm des Wasserdampfes dar. In dieser Figur bedeutet die voll ausgezogene Linie den linken sowie den rechten Teil der Grenzkurve mit dem darin eingetragenen kritischen Punkt K. b. Aus diesem Diagramm sind weiters die Isobaren ersichtlich, die den Drücken PO, pj entsprechen, ferner die Isothermen, die sich auf die Temperaturen t0 und t3 beziehen. Weiters enthält das Diagramm ein System von Kurven gleichen Feuchtigkeitsgrades x. Von diesen Kurven ist die stark ausgezogene, gestrichelte Kurve mit x0 bezeichnet; sie schneidet den Punkt A für den Zustand des Nassdampfes, dessen Feuchtigkeit zu bestimmen ist.
Der Punkt A entspricht den Parametern pO, t0 und x0 des Nassdampfes, der Punkt B den Parametern pt, t1 des überhitzten Dampfes. Die Enthalpie-Differenz der Zustände A-B, -bezeichnet mit Ji, ist durch die Lage der Punkte B-C gegeben. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht das Wesen des beschriebenen Verfahrens darin, dass der Grad der Feuchtigkeit x0 direkt im Wärmediagramm, (z. B. einem IS-Diagramm) aus der Anderung der Enthalpie Aj bestimmt wird, die der Heizleistung Q und der Durchflussmenge M entspricht.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die einen Messfühler enthält, der aus einem zylindrischen, vom Nassdampf durchflossenen und umflossenen Hohlkörper besteht, in dem sich eine Messstelle für die Messung des Druckes pO, eine Messstelle für die Messung des Druckes pn, d. i.
der Druck des ausserhalb des Messfühlers strömenden Dampfes, eine Messstelle zum Messen der Temperatur t0, ein Heizkörper, welcher dem Nassdampf von den Parametern p0J t, und x < ' die Wärme Q zuführt, durch deren Einfluss der Nassdampf in den Zustand des überhitzten Dampfes mit den Parametern t1 und Pi, überführt wird, eine Messstelle zur Messung des Druckes ps, eine Messstelle zur Messung der Temperatur tl, die Messstelle für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des überhitzten Dampfes mit Hilfe eines Prandtl-Messrohres, eines Anemometers oder eines Pitot-Messrohres. Die Austrittsseite des Messfühlers ist durch ein Austrittsrohr beendet.
In dem Falle, wo der Druck der Nassdampfes niedriger ist, als der atmosphärische Druck, wird an das Austrittsrohr eine Saugpumpe angeschlossen. Für den Fall, dass der Druck des Nassdampfes niedriger ist, als der Druck übersteigt, ist das Austrittsrohr mit einem regulierbaren Ventil versehen.
In den Fig. 2, 3, 4 und 5 ist eine Ausführungsvariante einer Messvorrichtung dargestellt. Fig. 2 stellt einen Messfühler im Längsschnitt dar. Fig. 3 veranschaulicht einen Querschnitt durch die Stelle, an der der Druck des Dampfes innerhalb des Messfühlers gemessen wird, d. h. der Druck pO bzw. Pl; Fig. 4 stellt den Querschnitt durch die Stelle dar, in welcher der Druck pO, d. i. der Druck des ausserhalb des Messfühlers strömenden Nassdampfes gemessen wird. Fig. 5 veranschaulicht einen Querschnitt durch die Stelle, an der die Temperatur t0 bzw. t gemessen wird.
In all diesen Figuren bezeichnet 1 den Körper des Messfühlers, 2 die Durchbrüche zum Messen der Drücke innerhalb des Messfühlers, die in einem gemeinsamen Rohr angeordnet sind, 3 den Anschluss für ein Mikromanometer. 2a ist die Messstelle des Druckes P0 2b die Messstelle des Drukkes p. Mit 4 sind Durchbrüche bezeichnet, die zum Messen des Druckes des umfliessenden Dampfes dienen, welche in einen gemeinsamen Raum führen, an den der Anschluss 5 für ein nicht dargestelltes Mikromanometer angebracht ist. 6 bezeichnet die Messstellen zum Messen der Temperaturen innerhalb des Messfühlers durch Thermoelemente. Diese Messstellen sind ebenfalls in einem gemeinsamen Verbindungsrohr zusammengefasst, durch das die Leitungsdrähte der Thermoelemente herausgeführt sind.
6a bezeichnet die Messstelle für die Temperatur t,; 6b die für die Temperatur t. 8 stellt einen Heizkörper dar, der durch ein direkt beheiztes Gitter oder ein System von Spiralen gebildet ist, die von dem Dampf umfiossen werden. 9 ist das Austrittsrohr des Messfühlers. 10 sind die Millivoltmeter zum Messen der Thermoelementströme. 11 ist der Bezugspunkt für die Messung der Temperatur mittels der Thermoelemente. 12 ist ein Wattmeter zur Messung der Heizleistung des Heizkörpers 8, d. h. des Wertes Q. 13 ist ein Potentiometer für die Regulierung der Heizleistung des Heizkörpers 8. 14 ist eine Einrichtung zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit des überhitzten Dampfes, der in diesem Falle durch ein Prandtl-Messrohr dargestellt ist.
Es kann auch eine Einrichtung für das Messen des Volumens des durchflossenen überhitzten Dampfes verwendet werden, die sich anderer an sich bekannter Elemente bedient.
Fig. 6 und 7 stellen zwei Beispiele dar, für die Verwendung der Vorrichtung für einzelne Betriebszwecke. Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung des Messfühlers zur Messung der Dampffeuchtigkeit hinter der Turbine, wo der Druck erheblich niedriger ist, als der atmosphärische Druck. In dieser Zeichnung stellt 1 den Körper des Messfühlers mit dem Austrittsrohr 9 dar, und der angeschlossenen Saugpumpe 15.
Die Fig. 7 stellt die Verwendung des Messfühlers für Zwecke der Messung der Dampffeuchtigkeit in der Rohrleitung, wo der Druck grösser ist als der atmosphärische Druck. In dieser Figur stellt 1 den Körper des Messfühlers dar, mit dem Austrittsrohr 9 und dem Regulierventil 16. Die angeführten Beispiele erschöpfen bei weitem nicht alle Möglichkeiten der Ausnützung des beschriebenen Verfahrens und der zu seiner Ausführung vorgeschlagenen Vorrichtung.
Dieselben können in verschiedenen Kombinationen den jeweiligen Betriebszwecken angepasst werden.
Die konstruktive Ausführung der Messvorrichtung kann unterschiedlich sein, so z. B. kann der Messfüh ler ausserhalb des strömenden Mediums angebracht werden, d. h. der Messfühler wird vom Nassdampf durchflossen, der einer von dem Dampf durch flossenen und umflossenen Abnahmesonde entnommen wird. In diesem Falle fallen die Messstellen 2a und 4, das heisst die Messstellen zum Messen der Drücke des Nassdampfes p0 (innerhalb der Abnahmesonde) und pO (ausserhalb der Abnahmesonde) beim Messfühler weg. Es ist auch möglich, alle Messungen des Druckes und der Geschwindigkeiten durch selbständige Einrichtungen auszuführen, z. B. so, dass der Messfühler 1 nur mit den Messstellen 6, d. h. den Stellen für die Messung der Temperaturen des Nassdampfes und des überhitzten Dampfes und dem Heizkörper 8 ausgestattet wird.
Die so gemessenen Werte werden einzeln für sich und dann gemeinsam mit der Heizleistung erfasst; in einem Wärmeflussdiagramm oder einem entsprechenden Nomogramm wird der Grad der Dampffeuchtigkeit bestimmt, indem alle Parameter, d. h. die elektrischen Werte der Temperatur, des Druckes und der Durchflussgeschwindigkeit des Dampfes, sowie der Heizleistung (die elektrischen Werte der Änderungen der Enthalpie) auf eine an sich bekannte Art in einer Auswertungsapparatur direkt auf den Feuchtigkeitsgrad überführt werden. Die Feuchtigkeit des Dampfes kann graphisch registriert werden, desgleichen die einzelnen ihn bestimmenden Parameter. Die Auswertungsapparatur kann gegebenenfalls auch mit einer automatischen potentiometrischen Kompensation ausgestattet werden.
Durch das beschriebene Verfahren können auch dynamische Erscheinungen (Schwankungen der Feuchtigkeit) mit Hilfe eines Oszillographen festgestellt werden.
Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass auch kleine Abweichungen der Dampffeuchtigkeit grosse Anderungen der Heizleistung herbeiführen, d. h. der Werte di, bzw. Q. Die Messung erfolgt daher bei höchster Empfindlichkeit, wobei alle erforderlichen Werte durch allgemein bekannte einfache Mittel mit grosser Genauigkeit festgestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in seiner Betriebssicherheit, einfacher Funktion und der Möglichkeit, die Messmethode zu automatisieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist der, dass die Messung kontinuierlich erfolgen kann, bei ständiger Registrierung aller Angaben, so dass der Betriebszustand ständig überwacht werden kann.
Es können auch von dem Messgerät, je nach seiner Einstellung, für einen bestimmten Be triebsfall Impulse entnommen werden für die Steuerung von Einrichtungen, bzw. zur Betätigung von Schutzeinrichtungen gegen Beschädigungen der Anlage durch übermässige Dampffeuchtigkeit. Hierbei ist von Vorteil, dass mit Rücksicht auf die bei der Messung erhaltenen grossen elektrischen Werte dieselben als Impulse verwendet werden können, ohne dass sie verstärkt zu werden brauchen. Die beschriebene Methode lässt sich somit nicht nur für die ständige Kontrolle der Dampffeuchtigkeit verwenden, sondern auch zu ihrer automatischen Regulierung.