-
Vorrichtung zum Regeln des Flüssigkeitsstandes in Behältern, insbesondere
zum Regeln des Wasserstandes in Dampfkesseln Die gebräuchlichen Wasserstandsregler
für Dampfkessel arbeiten gewöhnlich derart, daß der eingeregelte Wasserstand mit
der Stellung des Regelventils wechselt. Einem geschlossenen Regelventil entspricht
ein Höchstwasserstand, während einem vollständig geöffneten Regelventil ein Tiefst-,vasserstand
entspricht. Diese Art der Regelung hat für Dampfkessel besondere Vorteile. Treten
nämlich in der Dampfkesselanlage kurze Last--töße auf, d. h. wird von dem Dampfkessel
iiir kurze Zeit eine erhöhte Abgabe von Dampf erfordert. so wallt das Wasser infolge
des wegen der erhöhten Dampfentnahme im Augenblick über den Wasserspiegel sinkenden
Druckes stärker auf. Das Volumen des Kesselwassers vergrößert sich wegen der s u
ärk zeren Dampfblasenbildung, t' der Wasserstand steigt und der Regler drosselt
daher (las Speisewasserventil stärker ab, so daß sich der Wasserinhalt vermindert.
Der Kessel ist daher, ohne daß die Feuerung verstärkt zu werden braucht, imstande,
für kurze Zeit eine erhöhte Dampfmenge abzugeben.
-
So vorteilhaft die Eigenart einer Speisewasserreglung, bei der bei
hoher Last auf tiefen. bei niedriger Last auf hohen Wassertand geregelt wird, für
den Dampfkesselbetrieb insofern erscheint, als die Feuerführung bei kurz dauernden
Laständerungen nicht geändert zu werden braucht, so stehen einer derartigen Regelung
doch erhebliche Bedenken entgegen. Einem mit Vollast arbeitenden Kessel z. B. wird
man kaum, nicht einmal kurze Laststöße zumuten können, die der Kessel sonst ohne
weiteres aufnehmen könnte, denn der Wasserstand, der bei Vollast durch den Regler
bereits tiefer als der mittlere Stand eingestellt ist, könnte andernfalls leicht
den tiefstzulässigen Stand unterschreiten. Man hat daher auch bei Wasserstandsreglern
in ähnlicher Weise wie bei anderen Regeleinrichtungen durch eine geeignete Rückführung,
z. B. durch Federverbindung zwischen dem das Speiseventil betätigenden Öldruckzvlinder
und dem durch den Schwimmer eingestellten Steuerschieber dieses Druckzylinders,
eine Regelung auf gleichbleibenden mittleren Wasserstand unabhängig von der Belastung
des Kessels zu erreichen gesucht. Dadurch mußte man aber wieder der Nachteil mit
in Kauf nehmen, daß bei jeder Laständerung des Kessels auch die Feuerung entsprechend
verstärkt oder abgeschwächt werden muß, auch wenn die Laständerung nur verhältnismäßig
kurze Zeit dauert.
-
Eine Regeleinrichtung, «-elche die Vorzüge beider Arten von Wasserstandsreglungen
vereinigt, ist Gegenstand vorliegender Erfindung, die sich iin wesentlichen dadurch
kennzeichnet,
daß der Regler bei Wasserstandsätiderungen zwar in
der Weise anspricht, daß bei stärkerer Entnahme ein tieferer Stand, bei geringerer
Entnahme ein höherer Stand eingestellt werden würde, daß aber zusätzliche Einrichtungen
vorgesehen'sind, welche mit Starker Verzögerung ansprechen und im Laufe längerer
Zeiten einen mittleren Wasserstand einstellen. Infolgedessen stellt der Regler bei
kurzen Laststößen zwar auch bei starker Dampfentnahme einen tieferen Wasserstand
ein. so daß der Kessel ohne Verstärkung der Feuerung dem höheren Dampfbedarf ohne
weiteres genügen kann. Der augenblicklich sinkende Wasserstand wird aber immer wieder
ausgeglichen, so daß der Kessel auch bei stärkster dauernder Belastung stets rnit
_einem mittleren Wasserstand arbeitet. Man kann notfalls die Einrichtung sogar so
treffen, daß durch die zusätzlichen verzögernd arbeitenden Einrichtungen im Laufe
längerer Zeit bei stärkerer Dampfentnahme ein höherer, bei geringerer Dampfentnahme
ein niedrigerer Wasserstand eingestellt wird.
-
Speisewasserregler für Dampfkessel, bei denen die Speisewasserzufuhr
außer von einem vom Wasserstand abgeleiteten Impuls noch durch einen vom Dampfdruck
abhängigen Impuls beeinflußt wird, sind bereits bekannt. Bei diesen bekannten Einrichtungen
wird das Speisewasserventil durch einen Schwimmer mittels eines Drahtzuges eingestellt.
DerDrahtzug wird durch einen mit dem Dampfraum des-Kessels in Verbindung stehenden
Kraftkolben mehr oder weniger gespannt. Sinkt der Dampfdruck, so gibt der Drahtzug
nach, so daß auf einen tieferen Wasserstand eingestellt wird. Der Kessel soll dadurch
instand gesetzt werden, auch ohne sofortige Fenerungsverstärkung den erhöhtenDampfbedarf
herzugeben. Ein langsamer Ausgleich des durch den Schwimmer bei großer Belastung
des Kessels eingestellten Tiefstandes, bei geringer Last eingestellten Höchststandes
des Wassers auf einen mittleren Stand wird durch diese bekannten Einrichtungen indessen
nicht erreicht. In ihrer Anwendung sind die bekannten Einrichtungen überdies auf
Reglung des Wasserstandes in Dampfkesseln beschrä nkt, cla ja die zusätzlichen,
das Speiseventil beeinflussenden Einrichtungen vorn Dampfdruck abhängen.
-
Ein weiterer '-\-,achteil dieses bekannten Wasserstandsreglers besteht
darin, daß er die Wärmespeicherfähigkeit des Kessels nicht voll auszunutzen gestattet.
Diese Wärmespeicherfähigkeitbestehtbekanntlichdarin, daß derKessel bei sinkendem
Wasserstand ohne Verstärkung der Feuerung eine erhöhte Dampfmenge Bergeben kann.
Auch bei diesem Regler darf der Unterschied zwischen dem bei vollständig geschlossenem
Speiseventil eingestellten höchsten und vollständig geöffnetem Speiseventil eingestellten
tiefsten Wasserstand keinesfalls den Unterschied zwischen dein für die Sicherheit
des Kessels äußerstenfalls zulässigen höchsten und tiefsten Wasserstand erreichen.
Hat beispielsweise der Schwimmer bei Volllast auf einen tiefen Wasserstand eingestellt,
so würde der Wasserstand bei einem plötzlichen Laststoß infolge des augenblicklich
sinkenden Dampfdruckes den Wasserstand noch weiter sinken lassen. Es muß daher der
bei Vollast eingestellte Tiefststand über dem äußerstenfalls zulässigen Tiefststand
liegen, damit dieser nicht unter Gefährdung des Kessels bei einem erwähnten plötzlichen
Laststoß etwa unterschritten werden kann. Da aber die Wärmespeicherfähigkeit des
Kessels durch den Unterschied zwischen Tiefststand des Kesselwassers bei voller
Belastung und Höchststand bei geringster Belastung bedingt ist, und zwar um so größer
ist, -je größer jener Unterschied ist, so läßt auch der zuletzt erwähnte Speisewasserregler
aus den gleichen Gründen wie die sonstigen bekannten Regler eine volle Ausnutzung
der Speicherfähigkeit nicht zu.
-
Sehr viel günstiger liegen aber die Verhältnisse bei dem neuen Wasserstandsregler
nach der Erfindung. Erfahrungsgemäß erreichen die beim Dampfkesselbetrieb auftretenden
kurzzeitigen Lasterhöhungen nie mehr als etwa :2o bis 2511/0 der Vollast. Es kann
daher der Unterschied zwischen Höchststand und Tiefststand, auf welchen der Regler
bei kurzzeitigen Laständerungen ohne die zusätzlichen Einrichtungen einstellen würde,
den für den betr. Kessel zulässigen Unterschied zwischen Höchst- und Tiefststand
ganz bedeutend, mindestens um das Doppelte, übersteigen, ohne daß die Gefahr besteht,
daß der zulässige Höchst- oder Tiefstwasserstand jemals erreicht oder gar überschritten
werden kann, denn die zusätzlichen Einrichtungen führen j a stets allmählich einen
mittleren Wasserstand herbei. Bei dein neuen Regler kann also zur Aufnahme kurzer
Laststöße fast der ganze Unterschied des Kessehvassergehaltes bei mittlerem und
tiefstem zulässigen Wasserstand zur Speicherung ausgenutzt werden. Entsprechendes
gilt sinngemäß für Lastsenkungen.
-
Das neue Regelverfahren kommt in erster Linie zur Regelung des Wasserstandes
von Dampfkesseln in Frage. Es kann aber im Bedarfsfalle, ohne daß es erforderlich
wäre, darauf näher einzugehen, auch mit gleichem Vorteil zur Regelung des Flüssigkeitsstandes
in anderen Flüssigkeitsbehältern verwendet werden, bei welchen ähnliche Verhältnisse
auftreten wie beim Dampfkesselbetrieb.
Das neue Regelverfahren läßt
sich mit Vorrichtungen verschiedenster Art ausführen, von denen drei Ausführungsbeispiele
in den Abbildungen schematisch dargestellt sind. In Abb. i ist der Dampfkessel mit
i, die Speisewasserzuleitung mit 2 bezeichnet. Letztere wird durch das Ventil 3
gedrosselt. Das Ventil 3 wird durch den Schwimmer .I über den Lenker 5. Hebel 6,
Lenker ; , Hebel 8 betätigt. Der Drehpunkt g des Hebels 8 ist aber nicht fest, sondern
an dem Lenker io angelenkt, welcher über den Hebel i i und den 1-enker 12 mit einem
zweiten Schwimmer 13 verbunden ist. Die Bewegung des Lenkers to wird durch eine
Bremsvorrichtung (Ölbremse 1.4) gebremst. Wäre der Drehpunkt g fest, so würde ein
infolge erhöhten oder verringerten Dampfverbrauches eintretendes Sinken oder Steigen
des Wasserstandes im Kessel i ein sofortiges Sinken oder Steigen des Schwimmers
.4 und demzufolge ein so-@@_,rtiges Öffnen oder Schließen des Ventils 3 zur Folge
haben, welches den Speisewasserzufluß durch das Rohre dein Dampfverbrauch entsprechend
einstellen würde. Dabei würde dem geöffneten Ventil 3 die Stellung 6«, dein vollständig
geschlossenen Ventil 3 die Stellung 6", des Hebels 6 entsprechen. so daß also der
Kessel bei starkem Dampfverbrauch auf verhältnismäßig tiefen Wasserstand eingeregelt
werden würde. Der Ungleichförmigkeitsgrad würde dem hohen Unterschied des Gelenkpunktes
des Hebels 6 entsprechen, an welchem der Lenker 5 angelenkt ist. Steigender Wasserstand
beispielsweise erteilt aber auch dem Schwimmer 13 einen Auftrieb. Da der Schwimmer
13 über den Lenker 1 2 und Flebel i t auf den Lenker io wirkt und dessen Bewegung
durch den Bremszylinder 14 gehemmt wird, so erfolgt das Steigen oder Sinken des
Schwimmers 13 gegenüber dem Schwimmer 4. nur mit starker Verzögerung, so claß das
Einstellen des Regelventils 3 zunächst im wesentlichen nur durch den Schwimmer .4
geschieht. Tritt daher nur ein kurzer Laststoß auf, wird also beispielsweise nur
für eine kurze Zeiteine stärkere Dampfmenge entnommen und geht der Dampfverbrauch
alsdann wieder auf die frühere Stärke zurück, so wird der Schwimmer 13 so gut wie
gar nicht betroffen. da er wegen des BremszyIinders 14 dem durch den Schwimmer .l
anders eingestellten Wasserstand nicht zu folgen vermag. Dauert dagegen die stärkere
Dampfentnahme beispielsweise längere Zeit an, so überwindet die zufolge des durch
den Schwimmer .4 eingestellten tiefen Wasserstandes auf den Schwimmer 13 wirkende
Auftriebsverminderung die Bremswirkung des Zylinders 14. und es tritt nunmehr eine
Verstellung des Ventils 3 durch das Sinken des Schwimmers 13 ein, wobei das Gelenk
15 zwischen Lenker 7 und Hebel 8 als Drehpunkt wirkt. Bei festgehaltenem Punkt 15
würde einem vollsti.ndig geöffneten Ventil 3 die Stelhing 11 L, einem
vollständig geschlossenenVentil 3 die Stellung t i « des Hebels 1 i entsprechen,
und wegen des anderen Verhältnisses der beiden Hebelarme des Hebels i i ist der
Unterschied zwischen Höchst- und Tiefststand, mit welchem der Schwimmer 13 bei festgehaltenem
Punkt 15 den Wasserstand einregeln würde. ein sehr viel geringerer als der durch
den Schwimmer d. allein bestimmte Unterschied zwischen Höchst- und Tiefststand.
Da der Schwimmer .I ungebremst sofort einregelt, während der Schwimmer 13 wegen
der Bremse i.1 mit starker Verzögerung einregelt, so wird bei lang andauernden Belastungsänderungen
des Kessels die momentan durch den Schwimmer d. eingeregelte Abweichung von dem
mittleren Wasserstand durch den Schwimmer 13 langsam verringert.
-
Eine andere :Möglichkeit zur Ausführung des neuen Regelverfahrens
zeigt die in Abb. 2 dargestellte Vorrichtung. Hier ist in dein Dampfkessel i nur
ein das Regelventil 3 betätigender Schwimmer 16 vorgesehen, welcher über Lenker
17, Hebel 18, Lenker io den Schieber 3 verstellt. Der Hebel 18 wirkt aber noch über
die Feder ig auf den Kolben 2o des Bremszylinders 21. Steigt der Wasserstand infolge
geringeren Dampfverbrauches, so muß der Schwimmer 16, da der Kopie 20 wegen der
Bremswirkung zunächst nicht nachgibt, die Spannkraft der Feder ig durch Zusammendrücken
überwinden, so daß also jeder Stellung des Ventils 3 eine andere Spannung der Feder
ig und ein anderer Wasserstand entspricht. Allmählich überwindet indessen die Spannung
der Feder ig die Bremswirkung des Kolbens 2o, so daß das Ventil 3 noch weiter geschlossen
wird und der Wasserstand im Kessel wieder sinkt. Bei längere Zeit anhaltender Änderung
des Dampfverbrauches wirkt daher der Regler so, als wenn die Feder 19 mit
Bremse 20, 21 nicht vorhanden wäre. Die durch die Feder 1g bei kurzzeitigen
Änderungen bedingte starke Abweichung von dem mittleren Wasserstand wird daher im
Laufe längerer Zeit wieder aufgegeben.
-
Die beiden Ausführungsbeispiele stellen Regeleinrichtungen zur Ausübung
des neuen Verfahrens dar, bei denen das Regelventil direkt durch den geänderten
Auftrieb des Schwimmers verstellt wird. Das Verfahren läßt sich aber auch anwenden,
wenn die IvVasserstandsänderung zur Steuerung eines das Regelventil verstellenden
Druckgetriebes benutzt wird. Dies kann z. B. nach dem in Abb.3 dargestellten Schema
geschehen.
Das Ventil 3, welches den Speisewasserzufluß zu
dem Kessel i einstellt, wird durch den Kolben-Servo-Motor 22 eingestellt, welchem
Drucköl durch die Leitungen 23, 24 zugeführt wird. Die Mündungen der Leitungen 23,
24 stehen in bekannter Weise einem verschw-enkbaren Strahlrohr 25 gegenüber, welchem
dauernd Druckmittel, beispielsweise Drucköl, zugeführt wird. Mittels der Feder 26
ist das Strahlrohr über den Hebel 27 mit dem Schwimmer 28 verbunden. An dem Strahlrohr
greift ferner die Feder 29 an, welche an dem einen Arm des Hebels 3o befestigt ist.
An dem anderen Arm des Hebels 30 greift der Lenker 31 des in seiner Mittellage
elastisch gefesselten Kolbens 32 an, welcher in dem mit einem gedrosselten Umlauf
34 versehenen Zylinder 35 beweglich angeordnet ist. Der Zylinder 35 ist in der Leitung
a3
eingeschaltet. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende.
-
Sinkt infolge Steigens des Dampfverbrauches das Wasser in dem Kessel
i, so übt der Schwimmer 28 infolge seines verminderten Auftriebes einen Zug auf
den im Innern des Kessels gelegenen Arm des Hebels 27 aus, welcher die Feder 26
spannt. Das Strahlrohr 25 schlägt infolgedessen nach oben aus. Die Leitung 24. wird
stärker beaufschlagt, der Druck links des Kolbens in dem Zylinder 22 verstärkt sich,
so daß sich der Kolben nach rechts bewegt, da infolge geringerer Beaufschlagung
der Mündung der Leitung 23 der Druck in derselben nachläßt. Der Kolben =2 drückt
infolgedessen über die Leitung 23 auf den Kolben 32, welcher sich nach oben bewegt
und infolgedessen die Feder 29 anspannt. Infolge der Rechtsbewegung des Kolbens
22 öffnet das Ventil 3 den Speisewasserzufluß stärker. Das Wasser im Kessel und
der Schwimmer steigen an, und der Hebel 2-7 sucht das Strahlrohr zurückzubewegen.
Wäre der Umlauf 3:4 geschlossen, so würde die Bewegung zur Ruhe kommen, sobald <las
Strahlrohr 25 wieder mitten vor der Mündung der Leitung 22, 23 steht. Da aber der
Kolben 22 weiter nach rechts, der Kolben 32 «-eiter nach oben steht, so ist die
Feder 29 bei der Mittelstellung des Strahlrohres 25 stärker gespannt als bei der
Ausgangsstellung. Dieser stärkeren Spannung muß durch größeren Gewichtsüberschuß
des Schwimmers 28 Gleichgewicht gehalten «-erden, so daß also der Schwimmer auf
einen tieferen Wasserstand bei weiter geöffnetem Ventil 3 einregelt. Geht die stärkere
Dampfentnahme nicht sofort zurück, sondern hält längere Zeit an, so sucht sich das
Öl in dem Zylinder 35 vor und hinter dem Kolben 32 wegen der elastischen Fesselung
des letzteren über den Umlauf 34. allmählich auszugleichen. Infolgedessen kehrt
der Kolben 32 langsam in dieMittelstellungzurück, wodurchdieFeder29 entspannt wird.
Demzufolge wird durch den Schwimmer 28 das Strahlrohr wieder nach oben gezogen.
Es beaufschlagt die Leitung 24. stärker, so daß das Speisewasserv entil 3 wieder
«-eiter geöffnet wird und der Wasserstand im Kessel ansteigt. Die zunächst durch
den plötzlichen Laststoß eingeregelteUngleichförmigkeit wird also wieder vermindert
und je nach Dauer des Laststoßes teilweise oder ganz ausgeglichen.
-
Auch die Einrichtung nach der Abb.3 arbeitet daher in der Weise, daß
der Regler bei plötzlichen Laständerungen augenblicklich einen tieferen Wasserstand
einstellt. Dieser tiefere Wasserstand wird aber allmählich ausgeglichen.
-
Das neue Verfahren läßt sich noch auf die mannigfachste andere Weise
ausführen. An Stelle derAuftriebsänderungen, die einSch-wimmer mit den Änderungen
des Wasserstandes erfährt, können Gewichtsänderungen eines kommunizierenden, elastisch
mit dem Kessel verbundenen Behälters als Regelimpuls verwendet werden. Anstatt Bremszylinder
könnten andere Bremseinrichtungen zur Anwendung kommen. Die Regelimpulse könnten
zur Schaltung elektrischer Kraftgetriebe verwendet werden u. dgl. m.
-
Das neue Verfahren ist in erster Linie zur Regelung des Wasserstandes
in Dampfkesseln gedacht. Es kann aber im Bedarfsfalle mit dem gleichen Vorteil auf
die Regelung des Flüssigkeitsstandes in anderen Flüssigkeitsbehältern angewandt
werden.