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Parallellaufeinrichtung für mehrere Lüfter, insbesondere Grubenlüfter
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen Parallelbetrieb von zwei
oder mehreren Lüftern, die auf einen gemeinsam zu belüftenden größeren Raum, z.
B. das unter Tage liegende Grubengebäude einer Zeche, arbeiten. Dieser Lüfter sind
in der Regel als Axiallüfter ausgeführt, deren Fördermenge beispielsweise bei annähernd
konstanter Läuferdrehzahl durch Steuerung des Anstellwinkels der Lauf- oder Leitschaufeln
einstellbar ist. Die Schaufeleinstellung kann nach entsprechender Sollwertvorgabe
selbsttätig über eine Regeleinrichtung auf konstante Fördermenge erfolgen.
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Ein Parallelbetrieb mehrere Axiallüfter ist jedoch nicht ohne weiteres
möglich. Es kann nämlich infolge einer Erhöhung des Strömungswiderstandes in dem
zu belüftenden Raum die Luftströmung an einem Lüfter abreißen, wodurch dessen Fördermenge
abfällt. Die zu diesem Lüfter gehörige Regeleinrichtung versucht darauf durch Vergrößerung
des Anstellwinkels der Lüfterschaufeln die Fördermenge wieder auf den Sollwert zu
bringen. Da die Strömung am Lüfter abgerissen ist, führt die Vergrößerung des Anstellwinkels
jedoch nicht zu einer Vergrößerung der Fördermenge, sondern wirkt sogar einem Wiederanlegen
der Luftströmung an die Lüfterschaufeln noch entgegen.
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Die Fördermenge des Lüfters, an dem die Strömung abgerissen ist, ist
somit verringert. Da die übrigen parallellaufenden Lüfter durch ihre Regler für
sich auf konstante Fördermenge geregelt werden, wird die fehlende Fördermenge des
gestörten Lüfters nicht ausgeglichen, und die Gesamtfördermenge bleibt daher um
diese Fördermenge niedriger, was sich besonders bei nur zwei parallellaufenden Lüftern
nachteilig auswirkt. In Betrieben, die auf eine einwandfreie Belüftung angewiesen
sind, z. B. in Bergbaubetrieben, können dadurch Produktionsunterbrechungen und Gefahren
für das Bedienungspersonal eintreten.
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Die neue Parallellaufeinrichtung für mehrere Lüfter, die mit Regeleinrichtungen
für konstante Fördermenge ausgestattet sind und deren Sollwert nach Abreißen der
Luftströmung an einem Lüfter so lange herabgesetzt wird, bis die Luftströmung wieder
anliegt, beseitigt diesen Nachteil. Die Lösung besteht nach der Erfindung darin,
daß jedem Lüfter zur Erfassung des Abreißens der Luftströmung ein Strömungswächter
und allen Lüftern zur Überwachung des Strömungswiderstandes der zu belüftenden Anlage
ein gemeinsamer Widerstandswächter zugeordnet ist und daß Strömungswächter und Widerstandswächter
mit den Sollwertgebern der Regeleinrichtungen in Wirkverbindung stehen.
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Die selbsttätige Herabsetzung des Sollwertes bei überschreiten eines
zulässigen Grenzwertes ist bei Regelanordnungen für elektrostatische Hochspannungsanlagen,
insbesondere Elektrofilteranlagen, sowie bei Sicherheitseinrichtungen an temperaturgeregelten
Behandlungsöfen für durchlaufendes Gut an sich bekannt. So wird bei den zuletzt
genannten Behandlungsöfen bei Durchlaufstörungen der Sollwert der Temperaturregler
selbsttätig auf einen niedrigeren Wert eingestellt.
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Ebenfalls bekannt ist es bei Regeleinrichtungen, bei der der Sollwert
für mehrere nachgeordnete, für sich selbständige Regelkreise gemeinsam von einem
übergeordneten Regler vorgegeben wird, den Summenwert der Stellgrößen der nachgeordneten
Regler zu bilden und als Istwert in den übergeordneten Regler einzuführen. Derartige
Regeleinrichtungen sind besonders geeignet zur Gleichlaufregelung von elektrischen
Antriebsmotoren an Brennern von Kesselheizungen.
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Weiterhin ist es bei Anordnungen zur Regelung des Füllstandes und
Durchsatzes von Mühlen bekannt, das Mühlengeräusch elektroakustisch zu erfassen
und aus dem Verhältnis der voneinander durch eine Frequenzweiche getrennten hoch-
und niederfrequenten Mühlengeräusches den Füllstand zu ermitteln.
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Zur näheren Erläuterung der neuen Parallellaufeinrichtung wird auf
die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel für deren Anwendung bei
einer Grubenbewetterung schematisch dargestellt ist. Es zeigt F i g. 1 das Diagramm
der an einem im Betrieb befindlichen Lüfter auftretenden Geräusche und F i g. 2
die neue Einrichtung für den Parallelbetrieb von zwei Lüftern.
Im
Diagramm nach F i g. 1 ist das Ergebnis der mit einem Mikrophon durchgeführten Geräuschmessung
wiedergegeben. In Abhängigkeit von der Frequenz in Hertz (Hz) sind aufgetragen der
Schallpegel in Dezibel (db), die Lautstärke in Phon und der Schalldruck in Mikrobar
(wb). Besonders bei tiefen Frequenzen - etwa unter 300 Hz - liegt die Geräuschkurve
1 für abgerissene Luftströmung am Lüfter über den Kurven 2 für freiblasenden
Betrieb sowie der Kurve 3 für normal gedrosselten Betrieb. Das Auftreten derartiger
Abreißgeräusche ist bei Axiallüftern prinzipiell bekannt.
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In F i g. 2 ist die aus der Grube kommende Luftführung F mit den beiden
Teilführungen F1 und F2 für zwei Lüfter L 1 und L 2 dargestellt. Für jeden Lüfter
L l, L 2 ist ein elektrisch arbeitender Regler R 1 bzw. R
2 vorgesehen, der über geeignete Verstärker V 1 bzw. V 2 -
z. B. von Magnetventilen gesteuerte hydraulische Einrichtungen - die Leitschaufeln,
die Laufschaufeln oder beide zusammen derart verstellt, daß der Sollwert der Fördermenge
jedes Lüfters konstant auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Eingangsseitig
stehen die Regler R 1
bzw. R2 mit Meßumformern M1 bzw. M2 in Verbindung. Die
Meßumformer M1 bzw. M2 erfassen über Prandtlrohre, die im Luftstrom der Lüfter L
1 bzw. L 2 angeordnet sind, den Staudruck in der Luftführung F1 bzw. F2 und geben
ihn als elektrische Größe auf die Regler R 1 bzw. R 2. Der von den
Prandtlrohren erfaßte Staudruck pst ist dem Quadrat der geförderten Luftmenge Q
proportional, d. h. Q2 = c - pst (c = constant), und wird von den Meßumformern
M 1 bzw. M 2 an die Regler R 1 bzw. R 2 als ebenfalls dem Quadrat
des Istwertes der Förderleistung der Lüfter L 1 bzw. L 2 oder dem Istwert
direkt proportionale elektrische Größe weitergegeben. Die Einzelsbllwertgeber G
1 bzw. G 2 bilden über eine Nachlaufsteuerung im ungestörten Betrieb
den vom Gesamtsollwertgeber GS vorgegebenen Sollwert für die Fördermenge nach und
geben ihn auf die Regler R 1 bzw. R 2. Die Einzelsollwertgeber G 1
bzw. G 2 enthalten beispielsweise Sollwertpotentiometer, die mit einer stabilisierten
Spannung gespeist und von einem Stellmotor verstellt werden. Dem Gesamtsollwertgeber
GS wird über einen Sollwerteinsteller H der Sollwert für die Fördermenge der parallellaufenden
Lüfter von Hand oder autoniatisch eingegeben.
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Änderungen des Strömungswiderstandes R der Grube werden von einem
Widerstandswächter W über einen Meßwertumformer M 3 - mit einem Pitotrohr für den
Unterdruck oder die Depression p" - und einen Meßwertumformer M4 - mit einem Prandtlrohr
für den dem Quadrat der Fördermenge proportionalen Staudruck pst - in der Luftführung
F erfaßt und an die Einzelsollwertgeber G1 und G2 und den Gesamtsollwertgeber GS
weitergegeben. Wie aus der Beziehung für den Strömungswiderstand
zu ersehen ist, bleibt bei konstantem Verhältnis von Unterdruck p. und Staudruck
pst auch der Strömungswiderstand R konstant.
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Die Strömungswächter S1 und S2 erfassen mit akustischen Geräten für
das Lüftergeräusch, z. B. Kohlemikrophonen K1 und K2, das Abreißen der Strömung
an einem Lüfter. Beim Abreißen der Luftströmung an einem Lüfter tritt nämlich ein
für diesen Störungsfall charakteristisches niederfrequentes Abreißgeräusch auf.
Messungen haben ergeben, daß sich dabei der Schalldruck für tiefe Frequenzen gegenüber
dem Schalldruck im normalen ungestörten Betrieb etwa um den Faktor 5 erhöht (F i
g. 1). Über (nicht dargestellte) Tiefpässe werden die dabei besonders stark auftretenden
Geräusche mit Frequenzen von unter 300 Hz ausgesondert. Eine daraus gebildete Signalspannung
wird auf den Strömungswächter S1 bzw. S2 gegeben, der dann über ein Schaltglied
die elektrische Verbindung zwischen dem Einzelsollwertgeber G 1 bzw. G
2 und dem Regler R 1 bzw. R 2 unterbricht, d. h. dem Regler für die Förderleistung
den Sollwert Null vorgibt.
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Zur akustischen Erfassung des beim Abreißen der Luftströmung auftretenden
charakteristischen Brummgeräusches wurde ein Kohlemikrophon K1 bzw. K2 vorgesehen,
da dieses nicht von vornherein die hohen Frequenzen bevorzugt wie ein dynamisches
Mikrophon. Aus der Ausgangsspannung des Mikrophons K1 bzw. K2 werden - wie bereits
erwähnt - die tiefen, für das Abreißen der Luftströmung an einem Lüfter charakteristischen
Frequenzen entnommen und einem Verstärker zugeführt. Dieser Verstärker ist so ausgelegt,
daß er die tiefen Frequenzen verstärkt und hohe Frequenzen weitgehend unterdrückt.
Dies ist möglich durch Gegenkopplung dieses Verstärkers mit einem Parallelschwingkreis,
der auf eine mittlere der zu erfassenden tiefen Frequenzen abgestimmt ist. Da die
Realisierung eines Schwingkreises genügender Güte für tiefe Frequenzen schwierig
ist, wird die Induktivität dieses Schwingkreises durch ein Speicherglied ersetzt,
das aus Widerständen und einem Kondensator gebildet ist. Wählt man den Wirkwiderstand
dieses Speichergliedes gleich dem ohmschen Widerstand der zu ersetzenden Spule und
den Kondensator derart, daß die Zeitkonstante des Speichergliedes gleich der Zeitkonstante
der Spule ist, so erhält man ein Rückführnetzwerk mit dem gleichen Frequenzgang
wie bei Verwendung eines Schwingkreises bestimmter Güte mit Induktivität und Kapazität.
Die Ausgangsspannnug des Verstärkers wird sodann gleichgerichtet und über ein Glättungsglied
einem Grenzwertmelder, gebildet aus zwei Kippumkehrstufen, zugeführt. Der Grenzwertmelder
seinerseits betätigt beispielsweise über ein Kippglied ein Melderelais.
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Die Wirkungsweise der neuen Parallellaufeinrichtung wird im folgenden
für zwei mögliche Störungsfälle erläutert. Die eine Störung tritt ein, wenn über
den Sollwerteinsteller H den Lüftern eine größere Förderleistung vorgeschrieben
wird, als diese bei gegebenem konstanten Strömungswiderstand des zu belüftenden
Raumes bzw. des zu bewetternden Grubengebäudes bewältigen können. Die andere Störung
tritt beispielsweise im Parallelbetrieb von Grubenlüftern auf, wenn der Strömungswiderstand
R der Grube durch einen Wetterkurzschluß verringert oder durch einen Deckeneinbruch
erhöht wird. Beide Male besteht die Gefahr, daß Teile des Grubengebäudes nicht mehr
genügend belüftet werden, wenn nicht sofort die Förderleistung erhöht wird.
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Im ersten Störungsfall - bei einem zu groß vorgegebenen Fördersollwert
- wird die Leistungsfähigkeit der Lüfter überschritten, die Strömung liegt
nicht
mehr an den Lüfterschaufeln an und reißt ab. Bei der neuen Einrichtung wird das
Abreißen der Strömung an einem Lüfter, z. B. dem Lüfter L 1, durch den zugehörigen
Strömungswächter S 1 erfaßt und an den zugehörigen Einzelsollwertgeber G 1 sowie
den Gesamtsollwertgeber GS weitergemeldet. Dadurch wird der vom Gesamtsollwertgeber
GS gelieferte Gesamtsollwert für alle Lüfter selbsttätig um einen gewissen Betrag
herabgesetzt. Gleichzeitig sperrt der Strömungswächter S 1 durch entsprechende Beeinflussung
des Einzelsollwertgebers G1 des gestörten Lüfters L 1 die Sollwertvorgabe für die
Regeleinrichtung R 1 und gibt dieser damit den Sollwert Null vor. Über den Verstärker
V 1 wird dadurch der Anstellwinkel der Lüfterschaufeln so lange verkleinert, bis
der gestörte Lüfter wieder einen stabilen Betriebspunkt erreicht und vom Strömungswächter
S1 das Wiederanliegen der Luftströmung gemeldet wird. Darauf wird der Regeleinrichtung
R 1
für den Lüfter L 1 nun vom Einzelsollwertgeber G 1 ein neuer, herabgesetzter
Sollwert vorgegeben und der Lüfter L 1 auf diesen neuen Sollwert hochgeregelt.
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Für den Fall, daß die erste Herabsetzung des Gesamtsollwertes für
den Lüfter noch nicht ausreichend war und die Luftströmung an einem Lüfter wieder
abreißt, spricht erneut der zugehörige Strömungswächter an, und der beschriebene
Vorgang wiederholt sich.
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Bei dem anderen erwähnten Störungsfall - Änderung des Strömungswiderstandes
R der Grube durch Deckeneinbruch oder Wetterkurzschluß -müssen die Lüfter beispielsweise
durch Verstellung der Schaufeln oder Erhöhung der Drehzahl mit maximaler Fördermenge
gefahren werden. Der Widerstandswächter W gibt hierzu ein Signal zur Erhöhung der
Sollförderleistung auf die Einzelsollwertgeber G l, G2, und gleichzeitig
wird die Nachlaufschaltung zwischen dem Gesamtsollwertgeber GS und den Einzelsollwertgebern
G1 und G2 unterbrochen. Der dem Gesamtsollwertgeber GS über den Sollwerteinsteller
H vorgegebene Sollwert bleibt in diesem erhalten. Die einzelnen Lüfter werden jedoch
unabhängig voneinander durch Erhöhung der Sollwertgabe ihrer Einzelsollwertgeber
G1 und G2 auf maximale Fördermenge hochgefahren, bis entweder die Sollwertgrenze
erreicht ist oder der Strömungswächter das Abreißen der Luftströmung an einem Lüfter
meldet. Im letzteren Fall wird der Sollwert des diesem Lüfter zugehörigen Einzelsollwertgebers
in Teilbeträgen - wie bereits beschrieben -so lange herabgesetzt, bis der gestörte
Lüfter wieder auf einem stabilen Betriebspunkt arbeitet.
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Nach Verschwinden der Störung (Strömungswiderstand wieder auf dem
ursprünglichen Wert) wird vom Widerstandswächter W wieder der Nachlauf zwischen
den Einzelsollwertgebern G1 und GS bzw. G 2 und GS hergestellt und die Einzelsollwertgeber
G1 und G2 wieder auf den im Gesamtsollwertgeber GS gespeicherten Sollwert gefahren.