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Meßeinrichtung zur Überwachung des Kessel- und Speisewassers Die Überwachung
des Dampfkesselbetriebes durch Meßgeräte, welche unmittelbar den Betriebszustand
anzeigen oder schreibend aufzeichnen, beschränkte sich bisher vornehmlich auf die
Kontrolle der Dampf- und Speisewassermengen sowie von deren Temperaturen, des Dampfdruckes,
der Feuerraum- und Abgastemperaturen, des Zuges im Feuerraum, der Rauchgase auf
Sauerstoffreste, auf C 02-und C O -f- H2 Gehalt, während zwei für Dampfkessel sehr
wichtige Faktoren nur eine umständliche, häufig unrichtige Kontrolle erfuhren oder
sehr oft überhaupt keine Beachtung fanden.
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Diese Faktoren sind die Überwachung des Kesselwassers hinsichtlich
Dichte und Ätznatrongehalt sowie des Speisewassers auf in diesem.gelösten Sauerstoff.
Die ständige zuverlässige Kontrolle des Kesselwassers auf Dichte und Ätznatrongehalt
ist eine unbedingte Notwendigkeit, weil zum Schutz des Kesselbaumaterials eine bestimmte
Alkalität nicht unterschritten werden soll- und andererseits bei zu hoher Dichte
Schäumen und Spucken des Kesselinhaltes eintreten kann.
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Ebenso notwendig ist die laufende Feststellung des metallangreifenden
gelösten Sauerstoffs im Speisewasser, welcher im Kessel die gefürchteten Anfressungen
hervorruft. Um diese Anfressungen herabzumindern bzw. zu verhindern, entgast man
wohl das Speisewasser vor der Speisung, aber die Praxis lehrt, daß durch ungenügende
Wirkungsweise der Entgasungsanlagen, durch Undichtigkeiten usw. Gase im Speisewasser
verbleiben bzw. von diesem wieder begierig aufgenommen werden. Es wird daher heute
schon bei Hochleistungskesseln als Maximalgrenze ein Sauerstoffgehalt von nur 0,3
mgil bei genügend alkalischem Wasser festgesetzt.
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Man prüft wohl vielfach das Kesselwasser auf Dichte mittels Aräometerspindeln,
aber ganz abgesehen davon, daß solche Spindeln wegen ihrer leichten Zerbrechlichkeit
nur Instrumente für Laboratorien darstellen, zeigen sie auch nur richtig bei der
Eichtemperatur (meistens r5° C) an, so daß die Prüfung erst nach entsprechender
genauer Abkühlung der Kesselwasserprobe erfolgen kann. Insbesondere hat man schon
Aräometerspindeln, deren Bewegung und Einstellung elektrisch übertragen und angezeigt
wird.
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Desgleichen ist es bekannt, daß bei einem mechanischen oder elektrischen
Dichtemesser der Einfluß von Temperaturschwankungen das Meßergebnis sehr erheblich
fälschen kann, und es wurden deshalb auch bereits verschiedene Maßnahmen getroffen,
um diesen schädlichen Einfluß auszuschalten, beispielsweise die Anordnung eines
zweiten Meßgefäßes, dessen Füllflüssigkeit infolge guter Wärmeübertragung die gleiche
Temperatur wie das Meßgut- annimmt, Ferner ist die Beseitigung der durch Temperaturschwankungen
bedingten Fehler bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Kesselwassers
bekannt, z. B. durch entsprechende
Anordnung eines zweiten Elektrolytwiderstandes
mit demselben Temperaturkoeffizienten, wie ihn die zu messende Flüssigkeit aufweist,
oder durch selbsttätige Ab- und Zuschaltung eines Widerstandes.
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Der Erfindungsgedanke soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels
dargelegt werden. In der Zeichnung stellt a einen Dampfkessel. und b die Speisepumpe
dar. Das aus dem Kessel zur Messung entnommene und unter Druck und erhöhter Temperatur
stehende Kesselwasser wird in einem Entspannungs-und Abkühlgefäß c auf Atmosphärendruck
entspannt sowie auf Außentemperatur abgekühlt und fließt dem Dichtegeber d zu. In
einem Gefäß bewegt sich ein Schwimmer in Abhängigkeit von der Dichte des entspannten
und abgekühlten Kesselwassers. Am unteren Teil des Schwimmers sind zwei stabförmige
Widerstände q angebracht, die möglichst aus hTichtmetall, beispielsweise Kohle,
bestehen sollen. Diese Widerstände tauchen in zugehörige Quecksilbersümpfe r ein,
welche ihrerseits über zwei Kontakte mit einem elektrischen Meßkreis verbunden sind.
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Je nach der Eintauchtiefe der Stabwiderstände fließt ein schwächerer
oder stärkerer Strom im Meßkreis, welcher ein Meßgerät e beeinflußt. Es ist daher
möglich, die Skala des Meßgerätes e nach Grad Baume oder in anderer Weise empirisch
zu eichen, sofern der Einfluß der in Abhängigkeit vom Dampfdruck im Kessel sich
verändernden Temperatur des abgekühlten und entspannten Kesselwassers ausgeglichen
wird. Das geschieht durch den Einbäu eines elektrischen Widerstandsthermometers
f in den Dichtegeber d.
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Durch das Widerstandsthermometer f mit beliebigem positivem Temperaturkoeffizienten
werden bei auftretenden Temperaturschwankungen Widerstandsänderungen im Meßstromkreis
erzeugt, welche denjenigen entgegenwirken, die durch eine veränderte Eintauchtiefe
der Stabwiderstände in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen bedingt sind. Die
Abmessungen des Widerstandsthermometers sowie einer zugehörigen Widerstandsspule
im Meßgerät e sind so getroffen, daß auch bei Änderung der Dichte des Kesselwassers
der Einfluß der Temperatur so weit aufgehoben wird, daß der Meßfehler, der durch
Temperaturschwankungen bedingt ist, maximal I °/o, bezogen auf den Meßbereich, beträgt,
während dieser Meßfehler ohne Anwendung der Temperaturkompensation bei Temperaturdifferenzen
von 2o° C etwa 2o bis roo GJ', je nach der Dichte des Kesselwassers ausmacht.
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Die Dichtemessung allein gestattet aber, wie schon oben erwähnt, nicht
ohne weiteres einen Rückschluß darauf, ob das Kesselwasser alkalisch genug ist.
Desgleichen genügt hierzu nicht eine einfache Messung der elektrischen Leitfähigkeit,
wie sie zur Kontrolle des Kesselwassers schon vorgeschlagen wurde, denn die Leitfähigkeit
und damit die Anzeige des Meßinstrumentes ändert sich bei konstantem Ätznatrongehalt,
wenn der Anteil der übrigen im Kesselwasser vorhandenen Salze schwankt. Erst durch
die erfindungsgemäße Kombination des vorstehend beschriebenen Dichtemessers mit
dem nachstehend beschriebenen Leitfähigkeitsmesser wird eine einwandfreie Bestimmung
des Ätznatrongehalts bzw. der Natronzahl des Kesselwassers ermöglicht.
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In die Entnahmeleitung des Kesselwassers, beispielsweise vor dem Dichtegeber,
werden zwei Elektroden g und ein elektrisches Widerstandsthermometer lt eingebaut,
die mit einem Meßgerät i zusammengeschaltet sind. Der Einfluß der Temperaturschwankungen
des Kesselwassers auf die Anzeige des Meßgerätes ist in bekannter Weise durch das
Widerstandsthermometer lt ausgeschaltet.
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Die Leitfähigkeit des Kesselwassers ist praktisch genommen allein
abhängig von den folgenden darin enthaltenen Salzen und deren Äquivalentleitvermögen:
Das Äquivalentleitvermögen der ersten vier Salze ist wenig voneinander verschieden,
so daß es im Mittel mit 59,1 bewertet werden kann.. Allein das Äquivalentleitvermögen
des Ätznatrons weicht sehr von dem erwähnten Mittelwert ab und muß deshalb besondere
Berücksichtigung finden.
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Nehmen wir beispielsweise für den Dichtegeber e einen Meßbereich von
o bis o,6° Baume an und setzen ferner voraus, daß der sogenannte obere Schwellenwert
der Natronzahl im Speisewasser- 2ooo mg bei dem Maximalausschlag von o,6° Baume
erreicht wird, so ergibt eine bekannte, aber weitläufige Rechnung, daß der Salzgehalt-oder
Elektrolytmesser i einen Meßbereich von o bis 6ooo mg Gesamtsalzgehalt/1 erhalten
muß. Dieser maximale Gesamtsalzgehalt von 6ooo mg/1 setzt sich, umgewertet auf Na
Cl, zusammen aus: 2ooo mg Na0 H entsprechend 2925 mg Na Cl und aus dem Rest entsprechend
3075 mg Na Cl für die anderen erwähnten Salze. Wenn im Kessel bei erhöhter
Temperatur die Soda in NaOH übergeht, dann -kann die Skala des Eiektrolytmessers
i direkt in Natronzahlen von o bis 2ooo geeicht werden. Ist Soda im Kessel-
| NaC1 NaNO, i/2Na.,S04 i@Na_C03 NaOH |
| 7435 6586 5o.8 45,5 156,6 |
| Im Mittel 236,5I : 4 = 59,I I56,6 |
Wasser aber noch vorhanden, dann fällt sie unter die übrigen Salze,
und der jetzt errechnete Wert des Ätznatrons gibt nicht mehr die Natronzahl, sondern
nur den Gehalt an Ätznatron an. Dann wäre die Skaleneinteilung o bis. 2000 mg Ätznatron/l.
Auf Grund des vorstehend Erläuterten ist es bei Einstellung der Meßeinrichtung nur
einmal nötig, das Kesselwasser analytisch auf Sodagehalt zu untersuchen. Ist durch
das beim Kesselbetrieb angewandte Aufbereitungsverfahren des Speisewassers Soda
im Kesselwasser vorhanden, dann wird das Meßgerät auf Ätz-.natrongehalt-geeicht.
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Der Zeitpunkt der Notwendigkeit des Abschlämmens des Kessels ist nun
ohne weiteres aus den Ablesungen der beiden Meßgeräte e und i zu erkennen. Man muß
abschlämmen, wenn die Dichte und der Ätznatrongehalt bzw. die Natronzahl den für
den Kesselbetrieb oberen zulässigen Wert erreicht haben.
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Den Gehalt an Sauerstoff im Speisewasser, der die kritische Zahl von
0,3 cm'f1° bei Hochleistungskesselanlagen und alkalischem Kesselwasser nicht
überschreiten soll, bestimmte man bisher vorzugsweise laboratoriumsmäßig auf titrimetrischemWege;
am zuverlässigsten nach der Methode von L. W. W i n k 1 e r. Diese Untersuchung
ist zeitraubend und äußerst schwierig in der Durchführung, ganz abgesehen davon,
daß bei nicht genauer Probenahme und Durchführung falsche Werte erhalten werden.
Aus diesem Grunde wird die Untersuchung vielfach nicht durchgeführt.
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Die Cambridge Instrument Company Ltd. in London hat ferner versucht,
die titrimetrische Bestimmung - des 02 Gehaltes im Speisewasser durch eine direkte
Messung auf elektrischem Wege zu ersetzen, und es wurde über diese Meßeinrichtung
in der Zeitschrift »Archiv für Wärmewirtschaft und Dampfkesselwesene, Heft Nr. 5
vom Mai '192ä auf Seite 154 berichtet.
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Ein geringer Teil des Speisewassers, etwa 500 cm'/min., wird
durch einen Behälter, der mit einem Überlauf versehen ist, mit gleichbleibender
Zulaufhöhe in einen Reiniger eingeführt. Der Reiniger ist mit Nickelspänen gefüllt.
Die Reinigung. besteht darin, daß ein gleichmäßiger Strom von Wasserstoff durch
die Speisewasserprobe hindurchperlt und dabei an die Stelle des im Speisewasser
gelösten Sauerstoffes tritt, so daß das aus dem Reiniger entweichende Gas fast die
gesamte Menge des vorher im Wasser gelösten Sauerstoffes enthält. Der Wasserstoff
wird elektrolytisch gewonnen und strömt über eine erste elektrisch erwärmte Platinspule
zum Reiniger; das aus dem Reiniger austretende Gas umspült eine zweite erwärmte
Platinspule. Beide Platinspulen sind mit zwei Vergleichswiderständen, einem Galvanometer
und einer Stromquelle in Wheatstonescher Brücke geschaltet. Bei der Erwärmung der
Platinspulen durch den elektrischen Strom ist die Wärmeableitung und damit der elektrische
Widerstand der Spulen verschieden je nach. der Zusammensetzung der sie umgebenden
Gase, so daß an dem erwähnten Galvanometer der 02 Gehalt des Gasstromes abgelesen
werden , kann.
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Diese bekannte Meßeinrichtung arbeitet nicht einwandfrei. Zwecks Beseitigung
der Mängel wird dieselbe in der nachstehend beschriebenen Weise ausgestattet.
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In der Zeichnung ist die Meßeinrichtung zur Bestimmung des Gehaltes
an gelöstem Sauerstoff im Speisewasser rechts dargestellt: Das aus der Druckleitung
der Speisepumpe zur Messung entnommene, unter Druck und erhöhter Temperatur stehende
Speisewasser wird wiederum in einem Entspannungs- und Kühlgefäß c auf Atmosphärendruck
entspannt und auf Außentemperatur abgekühlt, und zwar in der Weise, daß die Gase;
welche bei der Entspannung das Bestreben haben, zu entweichen, gezwungen werden,
sich wieder vollständig in dem abgekühlten Wasser zu lösen.
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Diese Speisewasserprobe mit dem vollen ursprünglich' vorhandenen.
Gasgehalt fließt nun dem Gasausscheider k zu. Dieser ist von besonderer Bauart und
besitzt die an den bekannten Meßanlagen vorhandenen Mängel nicht. Das Probewasser
wird durch eine Düse eingeführt, wobei es sich mit dem gleichzeitig selbsttätig
angesaugten reinen Wasserstoff sättigt und in feinste Teile zerstäubt wird. Die
hierdurch restlos frei werdenden Gase werden durch einen Temperaturausgleicher l
zum Katharometer m gedrückt bzw. von dort abgesaugt und ins Freie befördert.
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In einer elektrolytischen Zelle n wird in bekannter Weise beispielsweise
aus einer Ätzkalilösung reiner Wasserstoff erzeugt. Dieser tritt durch ein geschlossenes
Gefäß o mit Schauglas und hierauf durch den Temperaturausgleicher l in das Katharometer.
Damit in der elektrolytischen Zelle n keine Erwärmung ; und hierdurch bedingte unerwünschte
Erscheinungen, beispielsweise Schaumbildung oder verschiedener Sättigungsgrad des
H2, auftreten, wird die Chemikalienfüllung dauernd gleichmäßig mittels einer Kühlschlange
; gekühlt. Das Gefäß o hat einerseits die Aufgabe, die gleichbleibende Erzeugung
von H2 in der elektrolytischen Zelle beobachten zu können, andererseits soll durch
dasselbe ein gleicher Feuchtigkeitsgrad des H2, wie er bei den im Gasausscheider
k ausgetriebenen Gasen vorhanden ist, herbeigeführt werden.
Das
geschieht, indem man den H2 durch Wasser hindurchperlen läßt.
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In dem Temperaturausgleicher Z werden sowohl die ausgetriebenen Gase
als auch der Hz auf gleiche Temperatur gebracht, bevor sie in das Katharometer m
eintreten. In dem Katharometer na befinden sich in Glasröhren o. dgl. zwei an sich
gleiche Platinspiralen, über welche die beiden verschiedenen Gase in bekannter Weise
getrennt hinwegstreichen. Die gasführenden Glasröhren befinden sich in einem Vakuumraum,
um eine gegenseitige Beeinflussung durch Wärmestrahlung o. dgl. auszuschalten. Der
H, wird vom Gasausscheider k angesaugt, während die in letzterem ausgeschiedenen
Gase durch- die eine Röhre des Katharometers ins Frie treten. Die Platinspiralen
bilden in bekannter Weise Zweige einer Wheatstoneschen Brücke. Je nach der Temperaturdifferenz,
bedingt durch die verschiedene Wärmeleitfähigkeit der umgebenden Gase, ändern die
Platinspiralen ihren Widerstand, wobei ein Galvanometer s entsprechend zum Anschlag
gebracht wird. Weil. die Meßeinrichtung mit einem Überschuß an H2 arbeitet, scheidet
sich im Gasausscheider k der im Speisewasser befindliche 02 restlos ab und bildet
mit dem H2 Überschuß Knallgas, während an Stelle des verdrängten 02 im Probewasser
H2 tritt. Somit ist die austretende Gasmenge dem Volumen nach gleich der Menge des
eintretenden reinen H2, und der Ausschlag am Galvanometer s ist praktisch nur abhängig
von der ausgeschiedenen 02 Menge.
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Die 02 Ausscheidung im Gasaüsscheider k geschieht in der Weise, daß
das Speisewasser unter Drück einer feinen Düse in konstanter Menge entströmt, gleichzeitig
H2 ansaugt, an sich reißt und unter intensivster Durchwirbelung in einer Mischdüse,
versehen mit einem Wirbelkegel, eine ganz innige Berührung mit den Gasmolekülen
herbeiführt, worauf nochmals eine Zerstäubung im freien Raum des Apparates erfolgt.
Die bei diesem Prozeß ausgetriebenen Gase strömen, durch den Temperaturausgleicher
und die eine Röhre des Katharometers ins Freie, während das untersuchte Wasser unter
Luftabschluß abfließt öder in die Saugleitung der Speisepumpe zurückgeführt wird.
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Zu Kühlzwecken kann in den einzelnen Apparaten der gesamten Meßeinrichtung
Kondensat verwendet werden, um so die bei der Untersuchung abzuführende Wärme wieder
dem Kesselbetrieb zugute kommen zu lassen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft also eine Meßeinrichtung zur Überwachung
des Kessel- und Speisewassers auf elektrischemWege, wodurch einmal eine unmittelbare,
jede Umrechnung- erübrigende Messung und gleichzeitig die Übertragung auf das sogenannte
Kesselschild als Zentralstelle für sämtliche am Kessel anzustellenden Messungen-
möglich ist.
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Die Kombination der Einzelmeßeinrichtungen zur Bestimmung der metallschädigenden
Wirkung des Kessel- und Speisewassers sowie die Ausgestaltung derselben derart,
daß sie unabhängig von irgendwelchen die Meßgenauigkeit beeinflussenden Faktoren
zuverlässig anzeigen, endlich die Übertragung des Wasserzustandes auf das Kesselschild
bedeuten einen wesentlichen technischen Fortschritt, da es bisher nicht möglich
war, gewissermaßen auf einen Blick zu erkennen, ob und welche Gefahren dem Dampfkessel
drohen, um dann sofort entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen.