DE19602424C2 - Zusatzheizeinrichtung für Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung, wie sie z. B. als Zu­ satzheizeinrichtung in Dampferzeugern zum Einsatz kommt.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, bei Dampferzeugern eine Haupt- und eine Zusatzheizeinrichtung vorzusehen. Die Zusatzheizeinrichtung ist immer eingeschaltet und, hält das Wasser in der Nähe des Siedepunktes. Die Zusatzheizeinrichtung ist daher so ausgelegt, daß der durch den Dampferzeuger immer abgegebene Verlustwärmestrom ausgeglichen wird. Die Verwendung einer Zusatzheizeinrichtung hat den Vorteil, daß die Hauptheizeinrichtung nur dann eingeschaltet werden muß, wenn dem Dampferzeuger Dampf entnommen wird, denn ohne Zusatzheizeinrich­ tung müßte die Regelung der Wassertemperatur mit der Hauptheizeinrich­ tung vorgenommen werden, was zu häufigen Schaltvorgängen führen würde. Da die Hauptheizeinrichtung eine hohe Leistung abgibt, fließen über die für die Ein- bzw. Ausschaltung vorgesehenen Schaltmittel hohe Ströme, was einen schnellen Verschleiß der Schaltmittel bewirken kann. Eine Dampfkesselanordnung, die mehrere, getrennt schaltbare Heizele­ mente aufweist, ist in der DE 33 07 594 A1 offenbart.

Um die Heizeinrichtungen vor Überhitzung und Zerstörung bzw. den Dampferzeuger vor Überflutung zu sichern, darf der Wasserpegel ein unteres bzw. oberes Niveau nicht unterschreiten bzw. überschreiten. Nach dem Stand der Technik kommen nur Dampferzeuger zum Einsatz, die über eine Einrichtung zur Pegelüberwachung verfügen, an deren Zu­ verlässigkeit aus sicherheitstechnischen Gründen höchste Ansprüche ge­ stellt werden.

Eine solche Pegelüberwachungsvorrichtung ist in der DE 86 06 564 U1 ge­ zeigt.

Pegelüberwachungseinrichtungen für Dampferzeuger nach dem Stand der Technik erfordern daher aufwendige Konstruktionen und verursachen demgemäß hohe Gerätekosten, die die Fertigungskosten für einen Dampferzeuger insgesamt erhöhen. Dieser Kostenanteil erhöht insbe­ sondere die Gesamtkosten von Klein-Dampferzeugern, da die Kosten für die Pegelüberwachungseinrichtung nahezu unabhängig von der Größe des Dampferzeugers sind.

Ein Beispiel für einen Dampferzeuger mit einer Haupt- bzw. Zusatzhei­ zung und mit der vorstehend genannten Pegelüberwachungseinrichtung zeigt Fig. 4. In dem Dampferzeuger mit einem Wasserbehälter 1 ist eine Hauptheizung 2 und eine Zusatzheizung 3 symmetrisch zueinander ange­ ordnet. Zur Pegelüberwachung ist eine Vorrichtung 4 vorgesehen, die zwei Leitfähigkeitselektroden 4a und 4b aufweist, wobei die Leitfähig­ keitselektrode 4a den niedrigsten und die Leitfähigkeitselektrode 4b den höchstzulässigen Wasserpegel erfaßt. Bei Pegelüberwachungseinrich­ tungen nach dem Leitfähigkeitsprinzip sind mehrere Elektroden in dem Wasserbehälter des Dampferzeugers so angeordnet, daß jede der Elektro­ den ein Signal abgibt, wenn der Wasserpegel die Elektrode berührt bzw. nicht mehr berührt. Sollen noch weitere Pegelstände erfaßt werden, sind dazu jeweils pro Pegelstand eine zusätzliche Elektrode erforderlich.

Es sind weiterhin Dampferzeuger mit kapazitiv arbeitenden Pegelüber­ wachungseinrichtungen bekannt, wobei diese Einrichtungen vorzugswei­ se zwei Elektroden aufweisen, die in dem Wasserbehälter des Dampfer­ zeugers so angeordnet sind, daß die Höhe des Wasserpegels eine sich zwischen den Elektroden ausbildende Kapazität beeinflußt. Die Größe die­ ser Kapazität wird gemessen und als Meßgröße für den Pegelstand aus­ gewertet.

Es sind ferner Dampferzeuger mit nach dem Schwimmerprinzip arbeiten­ den Pegelüberwachungseinrichtungen bekannt, die bewegliche Bauteile aufweisen, deren Beweglichkeit bzw. Funktion unter allen Betriebsbe­ dingungen des Dampferzeugers und für lange Zeiträume gesichert sein muß.

Alle aus dem Stand der Technik bekannten Dampferzeuger müssen so konstruiert sein, daß für die Pegelüberwachungseinrichtung ein ausrei­ chend großer Einbauraum zur Verfügung steht. Dieser zusätzliche Raum vergrößert das Bauvolumen des Dampferzeugers. Besonders bei Klein- Dampferzeugern entsteht u. U. eine relativ große Zunahme des Bauvolu­ mens, da sich die Abmaße der Elektroden nicht proportional mit der Bau­ größe des Dampferzeugers verringern lassen.

Es ist weiterhin zu bemerken, daß die Elektroden in Verbindung mit dem dazu erforderlichen Einbauraum auch den Wirkungsgrad des Dampferzeu­ gers verringern können, denn der Wirkungsgrad des Dampferzeugers ist abhängig von der geometrischen Gestaltung der Heizeinrichtung im Zu­ sammenwirken mit einer angepaßten geometrischen Gestaltung des Was­ serbehälters, d. h. einer thermodynamisch optimale Konstruktion. Diese thermodynamisch optimale Konstruktion kann jedoch u. U. nicht in den Bereichen des Wasserbehälters 1 erzielt werden, in welchen die Elektro­ den der Pegelüberwachungseinrichtungen bzw. deren Einbauraum vorge­ sehen werden müssen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad eines Dampf­ erzeugers zu verbessern und seine Herstellungskosten zu verringern.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Zusatzheizeinrichtung zum Ausgleich des Verlustwärmestromes eines Dampferzeugers und zur gleichzeitigen Pegel­ überwachung ist ein Dampferzeuger mit einem hohen Wirkungsgrad ge­ schaffen worden, der eine hohe Betriebssicherheit aufweist und mit ge­ genüber dem Stand der Technik geringen Kosten herstellbar ist.

Da die Pegelüberwachungseinrichtung nicht mehr als separate Baugruppe ausgeführt ist, wird auch kein zusätzlicher Einbauraum benötigt, wodurch der Wasserbehälter des Dampferzeugers nicht zusätzlich vergrößert wer­ den muß.

Weiterhin können der Wasserbehälter und die Heizeinrichtung so gestal­ tet werden, daß in jedem Bereich optimale thermodynamische Verhält­ nisse herrschen. Der Wirkungsgrad des Dampferzeugers wird somit ver­ bessert.

Ein weiterer Vorteil besteht in der erheblichen Kostenreduzierung. Die Pe­ gelüberwachung wird nunmehr durch die ohnehin vorhandene Zusatz­ heizeinrichtung vorgenommen, wodurch sich der zusätzlich erforderliche gerätetechnische Aufwand verringert.

Die Zuverlässigkeit kann gemäß Patentanspruch 2 noch wesentlich er­ höht werden, wenn mehrere Temperatursensoren redundant eingesetzt werden. Da die Temperatursensoren als Massenprodukte sehr kostengün­ stig zur Verfügung stehen, erhöht sich der Preis beim Einsatz mehrerer Sensoren nur um einen vernachlässigbaren Anteil.

Weitere vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Ver­ bindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Dampferzeugers mit einer Haupt- und einer erfindungsgemäßen Zusatzheizung.

Fig. 2 zeigt die Zusatzheizung im Querschnitt in einer vergrößerten Dar­ stellung.

Fig. 3 zeigt das Temperaturprofil der Zusatzheizung bei unterschiedlichen Pegelständen, wobei

Fig. 3a das Temperaturprofil der Zusatzheizung bei einem minimalen Pe­ gelstand,

Fig. 3b das Temperaturprofil bei einem mittleren Pegelstand und

Fig. 3c das Temperaturprofil der Zusatzheizung bei einem maximalen Pe­ gelstand zeigt.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Dampferzeugers mit einer Haupt- und einer Zusatzheizung nach dem Stand der Technik und mit einer konven­ tionellen Vorrichtung zur Pegelüberwachung.

Die Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Dampferzeugers mit einem Was­ serbehälter 1 in dem eine Hauptheizung 2 und eine erfindungsgemäße Heizung 5 angeordnet sind, wobei die Heizung 5 als Zusatzheizung und gleichzeitig zur Pegelüberwachung dient. Die Heizungen weisen eine vorbestimmte geometrische Form auf, die im Zusammenwirken mit der Form des Wasserbehälters einen optimalen thermodynamischen Wir­ kungsgrad ergeben.

Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt der erfindungsgemäßen Zusatzheizung 5, mit einem Heizelement 6 und einem äußeren Schutzmantel 7. In Längserstreckung der Zusatzheizung 5 sind Temperatursensoren 8 in vor­ bestimmten Abständen angeordnet. Das Heizelement 6 und die Tempera­ tursensoren 8 werden von einem Schutzmantel 7 umschlossen und somit vor Feuchtigkeit und mechanischer Beschädigung geschützt.

An Hand der Fig. 3 wird die Funktion der erfindungsgemäßen Zusatz­ heizung 5 erläutert.

Wenn das Heizelement 6 über seine elektrischen Anschlußleitungen an eine Stromquelle angeschlossen wird, bildet sich in Abhängigkeit vom Pegelstand des Wassers über die Längserstreckung des Heizelements 6 ein vorbestimmtes Temperaturprofil heraus. Die Fig. 3b zeigt das Tempe­ raturprofil bei einem mittleren Pegelstand PS_NORMAL. Auf Grund der gu­ ten Wärmeableitung liegt die Temperatur der Zusatzheizung 5 unterhalb des Pegels, d. h. im benetzten Bereich immer in der Nähe der Sättigungs­ temperatur. Oberhalb des Pegels bildet sich über die Längserstreckung der Zusatzheizung ein vorbestimmtes Temperaturprofil aus. Dieses Tem­ peraturprofil ist abhängig von der konstruktiven Ausbildung der Zusatz­ heizung 5, insbesondere von der räumlichen Lage des Heizelements 6 und den Wärmeleitverhältnissen, die von dem Heizelement 6, dem Schutzmantel 7 und einer ggf. zwischen dem Heizelement 6 und dem Schutzmantel 7 vorgesehenen Füllschicht bestimmt werden. Die Fig. 3a und 3c zeigen, wie sich bei unterschiedlichem Pegelstand die Lage des Temperaturprofils ändert. Somit stehen Lage und Form des Temperatur­ profils in einem vorbestimmten Verhältnis zum Pegelstand. Mittels der Temperatursensoren 8 wird die Lage und die Form des Temperaturprofils ermittelt und in bekannter Weise als Datentafel in einer nicht dargestell­ ten Speichereinheit gespeichert. Soll der Pegelstand ermittelt werden, wird das über die Temperatursensoren 8 ermittelte aktuelle Temperatur­ profil mit den in der Speichereinheit abgespeicherten Temperaturprofilen verglichen und eine entsprechende Zuordnung getroffen.

Es ist besonders zu erwähnen, daß die in der Fig. 3 gezeigten Tempera­ turprofile nur beispielhaft parallel zueinander verlaufen. Die Temperatur­ profils können eine beliebige Form aufweisen. Es ist auch möglich, mehrere Temperatursensoren 8 einzusetzen. Diese Vielfachanordnung dient der Redundanz. Es wird somit möglich, die Meßwerte der einzelnen Sensoren miteinander zu vergleichen. Damit lassen sich Ausfälle oder Meßwertdriften durch Alterungserscheinungen sicher erkennen. Diese Redundanzschaltung erlaubt eine entscheidende Erhöhung der Systemzu­ verlässigkeit bei der Pegelüberwachung, wobei sich die Gerätekosten nicht nennenswert erhöhen, da die Temperatursensoren 8 als sehr preis­ wertes Massenprodukt zur Verfügung stehen.

Es ist zu erwähnen, daß das Heizelement nicht unbedingt elektrisch be­ heiztbar sein muß. Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist auch auf Heizelemente anwendbar, die z. B. als Rohre ausgebildet sind, durch die ein Heizmedium fließt.

Claims (5)

1. Zusatzheizeinrichtung für Dampferzeuger, die aufweist:

• 1. - ein näherungsweise stabförmiges, einen Mantel (7) aufweisendes Heizelement (6), das mit Bezug auf die waagerechte Oberfläche eines Flüssigkeitspegels senkrecht zu diesem angeordnet ist,
• 2. - mindestens zwei Temperatursensoren (8), die auf oder in der Nähe der Außenumfangsfläche des Heizelements (6) in dessen Längserstreckung in vorbestimmten Abständen angeordnet sind und ein temperaturabhängiges elektrisches Signal erzeugen, und
• 3. - eine Auswerteeinrichtung, die die temperaturabhängigen elektrischen Signale erfaßt und die beim Verlassen von vorgegebenen Temperaturbedingungen Regelfunktionen bewirkt, wobei
• 4. - sich bei einem vorbestimmten Flüssigkeitspegel in der Längserstreckung des Heizelements (6) ein vorbestimmtes Temperaturprofil ausbildet und jedes dieser Temperaturprofile einem Pegelstand eindeutig zuordenbar ist,
• 5. - die Sensoren (8) so in der Nähe oder an dem Heizelement (6) angeordnet sind, daß das einem Pegelstand zuordenbare Temperaturprofil erfaßt wird und
• 6. - die Sensoren (8) Meßsignale erzeugen, die der, einen Datenspeicher aufweisenden Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden, in welcher die Meßsignale mit bereits gespeicherten Temperaturprofilen verglichen werden und der aktuelle Pegelstand des Wassers im Dampferzeuger bestimmt wird.

2. Zusatzheizeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Temperaturmeßstelle mehr als zwei Temperatursensoren (8) vorgesehen sind.

3. Zusatzheizeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Heizelement (6) und dem Mantel (7) eine wärmeleitende Schicht vorgesehen ist, um vorbestimmte Wärmeleit­ verhältnisse zu erzielen.

4. Zusatzheizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentan­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) elek­ trisch beheizt wird.

5. Zusatzheizeinrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) mittels erhitzter Medien beheizt wird.