-
Verfahren und Einrichtung zum Uberwachen der Entlüftung einer mit
Wasserdampf beheizten Heizkammer Für die Leistung von mit Dampf beheizten Heizkammern
und von Verdampfern, z. B. von Wärmern und Verdampfern für Rübensaft, ist wesentlich,
daß nicht kondensierbare Gase im Heizdampf dauernd und nach Möglichkeit vollkommen
entfernt werden. Alle Dämpfe, sowohl der Kesseldampf als auch die Brüdendämpfe,
enthalten stets Luft> die Brüdendämpfe außerdem auch noch Kohlensäure und Ammoniak.
Wird ein solches Dampf-Gas-Gemisch in Wärmeverbrauchern niedergeschlagen, so bleiben
Kohlendioxyd, Ammoniak und Luft als nicht kondensierbare Gase zurück. Sie würden
nach dem Daltonschen Gesetz für Gasgemische den Teildruck des Dampfes und damit
seine Kondensationstemperatur verringern und müssen deshalb entfernt werden. Dazu
sollen die Dampfzuführung und die Entlüftung der Heizkammern so ausgebildet sein,
daß der nachströmende Dampf die nicht kondensierbaren Gase in Richtung auf die Entlüftungsanschlüsse
zu vor sich herschiebt, so daß der Gasgehalt auf diesem Wege ansteigt und an dem
Entlüftungsstutzen am größten ist.
-
Um einen Abfall der Wärmedurchgangszahl und der wirksamen Temperaturdifferenz
zwischen der Kondensationstemperatur des Dampfes und der Flüssigkeitstemperatur
zu verhindern, muß mit den nicht kondensierbaren Gasen die dem Gewichtsanteil im
Gemisch entsprechende Dampfmenge aus den Heizkammern abgeführt werden. Die abziehende
Dampfmenge entspricht bei Eindampfapparaten der Zuckerindustrie annähernd dem Neunzigfachen
des Gewichtes der Gase. Sie ist deshalb beträchtlich und verlangt eine Überwachung
der Entlüftung, damit noch größere Dampfverluste verhindert werden.
-
Es ist bekannt, durch Handventile und eingebaute Blenden in den Entlüftungsanschlüssen
das abzuführende Dampf-Gas-Gemisch in seiner Zusammensetzung dem Anfall an Luft
und Gasen anzupassen. Es läßt sich auf diese Weise aber nicht immer eine Dampfverschwendung
verhindern. Ferner ist es bekannt, das Entlüftungsgemisch in den Brüden derselben
Eindampfstufe überzuführen. Das ist jedoch abzulehnen, weil dadurch der Anteil an
Gasen und Luft in diesen Brüden erhöht und der Dampfteildruck erniedrigt wird.
-
Gemäß einem anderen bekannten Entlüftungsverfahren für Eindampfapparate
wird im Entlüftungsgemisch von jedem Verdampfer mehr Dampf als notwendig abgezogen
und mit dieser Menge je Eindampfapparat oder -stufe ein Wärmeaustauscher beheizt.
Dadurch wird zwar eine sichere Entlüftung der Eindampfapparate erreicht, jedoch
muß nun jeder einzelne Wärmer überwacht werden, wobei dieselben Schwierigkeiten
auftreten, eine Dampfverschwendung zu verhindern. Es ist ferner möglich, das Gemisch
dauernd zu analysieren; die dazu erforderlichen Apparate sind aber teuer und empfindlich.
-
Neuere Untersuchungen über die Verschlechterung des
Wärmeüberganges
durch die Anwesenheit von Gasen im Wasserdampf haben ergeben, daß sich beim Kondensationsvorgang
die nicht kondensierbaren Gase dem Kondensatfilm vorlagern, so daß die zur Kondensation
drängenden Dampfmoleküle aus der Strömung durch die Gasschicht diffundieren müssen.
-
In Abb. t sind diese Verhältnisse schematisch dargestellt. 1 ist
ein Stück der Heizrohrwand; an der mit 2 bezeichneten Seite befindet sich die einzudampfende
Flüssigkeit, während sich auf der anderen Seite das Dampf-Gas-Gemisch befindet.
Der Kondensatfilm ist mit 4, die Diffusionsschicht mit 5 bezeichnet. Durch diese
Diffusionserscheinungen wird die Wärmeübergangszahl gegenüber der bei reinem Wasserdampf
erheblich erniedrigt.
-
In Abb. 2 sind diese Verhältnisse für sehr kleine Dampfgeschwindigkeiten
dargestellt.
-
Bei einem Gesamtdruck p in einer Heizkammer verringert die Anwesenheit
von Gasen infolge ihres Teildruckes PG den Teildruck PD des Wasserdampfes auf PD
= PPG. (1) Der Dampf kondensiert dann mit einer Temperatur t7 als Sättigungstemperatur
zum Teildruck PD. Die Kondensationstemperaturerniedrigung und somit die Verschlechterung
des wirksamen Temperaturgefälles ergibt sich zu Zi # = t tD (2) worin t" die Sättigungstemperatur
zum Druck p des Heizdampfes in der Heizkammer ist.
-
Die Temperatur tD ist bei gegebenem Heizdampfdruck p nur vom Gasgehalt
g des Dampf-Gas-Gemisches abhängig.
-
Für den Gasgehalt g, des im gesättigten Zustand befindlichen Gemisches
an einer Entlüftungsstelle einer Heizkammer gilt g,1 = YSIYD = (RDIRG) ' (P - PD)
IPDA. (3) Daraus erhält man für den Teildruck PDi des Dampfes an der Entlüftungsstelle
PDA = RD/RG gA + RD/RG Der Faktor ß gibt die Erniedrigung des Dampfteildrucks gegenüber
dem Gesamtdruck p in einer Heizkammer an.
-
In den Gleichungen bedeutet 7g das spezifische Gewicht der Gase,
y, das spezifische Gewicht des reinen Dampfes, RG die Gaskonstante der Gase, RD
die Gaskonstante des reinen Dampfes = 47,06.
-
Untersuchungen haben bewiesen, daß das durch eine Entlüftung einer
Heizkammer abzuziehende Dampf-Gas-Gemisch in gesättigtem Zustand anfällt. Damit
entspricht bei ausreichender Vermischung der Dampf- und Gasmoleküle die an der Entlüftungsstelle
meßbare Temperatur tz, dem Teildruck des Wasserdampfes in diesem Gemisch.
-
Erfindungsgemäß wird gemäß Gleichung (2) diese Temperatur tD zur
Messung einer Temperaturdifferenz 21 verwendet, die nach Gleichung (4) dem Gasgehalt
des durch eine Heizkammerentlüftung abzuziehenden Dampf-Gas-Gemisches proportional
ist. Die Messung dieser Temperaturdifferenz iI gestattet damit erstmalig eine exakte
Kontrolle und Regelung der aus einer Heizkammer abzuziehenden Dampf-Gas-Gemischmenge
für Eindampfapparate und Wärmeaustauscher und damit die Überwachung und Regelung
des Dampfverlustes zur Kondensation infolge notwendiger. Entlüftung einer Heizkammer.
-
Zur Messung dieser. Temperaturdifferenz sind je Anlage bzw. Apparat
zwei Wärmefühler erforderlich: a) zur Messung der Sättigungstemperatur des Heizdampfes
am Eintritt in eine Heizkammer, b) zur Messung der Sättigungstemperatur an der Entlüftungsstelle.
Um eine Verfälschung des Meßwertes unter b) durch Abkühlung des Gemisches in der
Entlüftungsleitung zu vermeiden, wird die Entlüftungsleitung bis zur Einbaustelle
des Wärmefühlers gegen Wärmeverluste isoliert.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Abb. 3 und 4
verwiesen.
-
Abb. 3 zeigt schematisch eine Heizkammer mit den beiden Dampfeintrittsstellen
6 und 7. Der Entlüftungsstutzen für das Dampf-Gas-Gemisch ist mit 9, seine Wärmeisolierung
mit 8 bezeichnet. In dem einen Eintrittsstutzen liegt das die Heizdampftemperatur
t" messende Thermoelement 10, in dem isolierten Teil des Entlüftungsstutzens das
Thermoelement 11.
-
Abb. 4 zeigt schematisch einen Wärmer mit eingebauten Umlenkflächen,
der mit gashaltigen Wasserdämpfen, z. B. mit Entlüftungsdampf, beheizt wird. Das
Dampf-Gas-Gemisch tritt bei 13 ein, durch den Stutzen 14 mit der Isolation 18 verläßt
das Entlüftungsgemisch den Heizraum. Im Heizdampfeintrittsstutzen liegt das Widerstandsthermometer
17, im isolierten Teil des Entlüftungsstutzens 14 das Widerstandsthermometer 16.
15 bezeichnet ein Manometer.
-
Die auf der Messung der Kondensationstemperaturerniedrigung 66a A
beruhende Kontrolle der Entlüftung von Heizkammern ist sehr vielseitig. Liegen für
eine Heizkammer keine eindeutigen Strömungsverhältnisse in der Richtung auf die
Entlüftungsanschlüsse vor, so wird ein Teil der nicht kondensierbaren Gase in die
Ecken der
Heizkammer getrieben. Auch bei fehlender Entlüftung einer Heizkammer auf
der dem Dampfeintritt gegenüberliegenden Seite treten dort Gasansammlungen auf.
Die Messung der -Kondensationstemperaturerniedrigung an einer solchen Stelle der
Heizkammer gibt Aufschluß darüber, ob Gasansammlungen vorhanden sind, ob diese durch
verstärkte Entlüftung beseitigt werden können oder ob zusätzlich eine Entlüftung
anzubringen ist.
-
Dampfseitig parallel geschaltete Eindampfapparate lassen sich auf
gleich große Entlüftungsintensität überwachen, wenn man die Kondensationstemperaturerniedrigung
an einer Stelle innerhalb von einer Heizkammer mißt, wo zuerst das Auftreten von
Gasansammlungen zu befürchten ist.
-
Die Entlüftung einer mit Dampf beheizten Heizkammer läßt sich mit
Vorteil auch dadurch überwachen, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Heizdampftemperatur
t" und der Temperatur tK des aus der Heizkammer austretenden Kondensats gemessen
wird. Die Temperatur des abfließenden Kondensats fällt mit wachsendem Gasgehalt
ab als Folge der sinkenden Wärmeübergangszahl und der sinkenden Kondensationstemperatur
an der Heizwand (vgl. die Abb. 1). Die Temperatur des abfließenden Kondensats ist
also ein Kriterium für den Entlüftungszustand und -grad der Kammer. Statt der exakten
Gleichung tK = -0,55. (t" - twana) (5) kann die folgende, nur meßbare Größen enthaltende
Gleichung für Eindampfapparate verwendet werden (tF = Temperatur der siedenden Flüssigkeit):
tK = (3 t" + ty)/4 (6) Daraus erhält man als Temperaturdifferenz zwischen dem einströmenden
Heizdampf und dem abfließenden Kondensat tK = (tell -tF)/4 . (7) Diese Temperaturdifferenz
d tz von etwa 1 bis 4°C wird Kondensatunterkühlung genannt; sie ist mit elektrischen
Widerstandsthermometern mit Platinwicklung meßbar. Eine Heizkammer ist stärker zu
entlüften, wenn eine auftretende größere Unterkühlung d tK, als es dem Wert (t"
- tF)I4 entspricht, eine merkliche Verschlechterung der Verdampfungsleistung dieses
Eindampfapparates verursacht.
-
In Abb. 3 ist das die Temperatur des Kondensats messende Thermometer
mit 12 bezeichnet. Es liegt in dem Abflußstutzen 19 für das Kondensat. 20 ist das
Thermometer für den Heizdampf.
-
PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zum Überwachen der Entlüftung einer
mit Dampf beheizten Heizkammer von nicht kondensierbaren Gasen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sättigungstemperatur des Heizdampfes am Eintritt in die Heizkammer und in
dem gegen Wärmeverluste isolierten Teil des Entlüftungsstutzens die Temperatur des
zu entlüftenden Dampf-Gas-Gemisches gemessen und die Differenz der beiden Temperaturen
angezeigt, registriert oder durch Änderung der Zusammensetzung des Entlüftungsgemisches
im Entlüftungsstutzen von Hand oder durch einen selbsttätigen Regler auf einem vorgegebenen
Wert gehalten wird.