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Verfahren zur automatischen Verteilung des zu kühlenden Frischgases
auf mehrere Regeneratoren In dem Hauptpatent ist ein Verfahren zur Verteilung der
Frischgasmengen auf die verschiedenen bei Gaszerlegungsverfahren zur Kühlung dienenden
Regeneratoren beschrieben, nach dem die durch einen Regenerator hindurchgehende
Frischgasmenge durch die Temperatur des aus dem Regenerator austretenden kalten
Frischgases geregelt wird.
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Das Verfahren wird beispielsweise bei der Kühlung von Luft vor ihrer
Zerlegung durch Verflüssigung und Rektifikation so durchgeführt, daß die Luftzufuhr
zu einem Regenerator vergrößert wird, wenn die Differenz der Temperaturen zwischen
der Luft und den Zerlegungsprodukten am kalten Ende des Regenerators einen bestimmten
Wert unterschreitet, bzw. gedrosselt wird, wenn die Temperaturdifferenz einen gewissen
Wert überschreitet. Hierbei ist vorausgesetzt, daß bei günstigster Verteilung der
Luftmengen auf die verschiedenen Regeneratoren sich eine bestimmte Temperaturdifferenz
zwischen Frischgas und Zerlegungsprodukt am, kalten Ende der Regeneratoren einstellt,
die durch die Veränderung des Wärmeinhalts mit dem Druck und durch unvermeidbare
Kälteverluste bedingt ist. Eine Veränderung der durch die einzelnen Regeneratoren
strömenden Gasmengen erfolgt, wenn die Temperatur des kalten Frischgases von diesem
angenommenen Normalwert abweicht. Hierbei besteht die Schwierigkeit, daß von vornherein
eine Festlegung dieses Norm_ alwertes für die Temperaturdifferenz nicht ohne willkürliche
Annahme über den Wärmeaustausch usw. möglich ist, und daß selbst, wenn einmal der
richtige Normalwert der Temperaturdifferenz eingestellt wurde, er durch Änderung
des Kältebedarfs o. dgl. verschoben werden kann. Wenn z. B. die als Normalwert angenommene
Temperaturdifferenz sich während des Betriebes aus irgendeinem Grunde vergrößert,
dann wird durch die im Hauptpatent angegebene automatische Regelung bewirkt, daß
bei sämtlichen Regeneratoren die Luftzufuhr gedrosselt wird, obwohl die Verteilung
der Luft auf die verschiedenen Regeneratoren richtig ist. Hierdurch wird lediglich
die Gesamtmenge der verarbeiteten Luft verändert. Da aber die Menge der Zerlegungsprodukte
sich in gleichem Maße ändert, tritt keinerlei Verschiebung im Verhältnis der durch
die Regeneratoren ausgetauschten Wärmeinhalte ein, so daß diese Regelung keine Ausgleichung
falscher Temperaturen, sondern nur eine Störung -des Betriebes
durch
Veränderung der Leistung bewirkt. Die Regelung näch dem Hauptpatent ist überbestimmt,
da die durch einen einzelnen Regenerator gehenden Frischgasmengen ohne Rücksicht
darauf verändert werden, daß die Gesamtmenge der durch die Regeneratoren strömenden
Frischgasmengen vorgegeben ist und durch die Veränderung der durch einen einzelnen
Regenerator gehenden Frischgasmengen sämtliche anderen zwangsläufig beeinflußt werden.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Meß- und Regelverfahren,
das die gegenseitige Abhängigkeit der einzelnen Regeneratoren bei der Verteilung
der Frischgasmengen berücksichtigt. Erfindungsgemäß wird die Verteilung der Frischgasmengen
auf die einzelnen Regeneratoren so vbrgenommen, daß zunächst der Mittelwert der
einzelnen Steuermessungen gebildet wird und die Luftzufuhr nur zu denjenigen Regeneratoren
verändert wird, deren Temperatur von diesem Mittelwert abweicht, so daß die Summe
der absoluten Temperaturdifferenzen der einzelnen Regeneratoren gegenüber dem Mittelwert
ihrer Temperaturen ein Minimum und im günstigsten Fall gleich Null. wird. Dabei
kann gleichzeitig dieser Mittelwert der Temperaturen des Frischgases am kalten Ende
der Regeneratoren auf eine .bestimmte als Normalwert angesehene Größe eingestellt
werden.
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Das Verfahren wird für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Figur näher
erläutert. Es sei wieder wie bei -dem Ausführungsbeispiel des Hauptpatents Luft
auf die vier Regeneratoren einer Luftzerlegungsanlage zu verteilen, von denen zwei
den Austausch des Wärmeinhalts des Hauptteils der Luft mit dem Stickstoff und die
beiden -anderen den Wärmeaustausch des Restes der Luft mit dem Sauerstoff vermitteln.
Die Steuermessung erfolgt ebenfalls -wie beim Verfahren des - Hauptpatents mit Hilfe
von Widerstandsthermometern wenige- Sekunden vor dem Ende der Schaltperiode, in
der der betreffende Regenerator von Luft durchströmt wird. Es wird die absolute
Temperatur der Luft am kalten Ende der Regeneratoren gemessen und die Meßwerte auf
eine- Wheatstonesche Brücke oder zweckmäßiger unmittelbar auf ein Kreuzspulfallbügelinstrument
übertragen.
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Die auf Grund der Steuermessung von denn Fallbügelinstrument ausgelösten
Impulse werden jetzt nicht wie bei dem Verfahren des Hauptpatents unmittelbar zur
Steuerung der Drosselklappen in den Luftzufuhrleitungen zu den Re-. generatoren
verwendet, -sondern es wird erst durch eine Schaltvorrichtung ihr Mittelwert bestimmt
und eine Steuerung nur insoweit ausgelöst, als einzelne Regeneratoren von diesem
Mittelwert abweichen.
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Eine zur Mittelwertsbildüng über die an den vier Regeneratoren A bis
G erfolgenden Steuermessungen geeignete Schaltvorrichtung ist in der Figur schematisch
dargestellt. Die Indizes a bis c an den einzelnen Bezugszeichen bedeuten, daß das
betreffende Schaltelement zur Steuerung des mit dem, gleichen Buchstaben bezeichneten
Regenerators dient. Von dem Fallbügelinstrument können nach jeder Steuermessung
auf der Schaltscheibe 3 Impulse übermittelt werden: Entweder ist die gemesseneTemperatur
innerhalb des vorgesehenen Schwankungbereiches gleich der angenommenen Normaltemperatur,
oder die gemessene Temperatur weicht nach oben bzw. nach unten ab. Bei dem Verfahren
des Hauptpatents wurden durch diese Impulse die Drosselklappen in der Luftzufuhrleitung
betätigt. Bei dem vorliegenden Verfahren werden dagegen zunächst nur je nach dem
Impuls die Relais 1d, 2" oder 3d in Tätigkeit gesetzt, die lediglich eine Steuerbereitschaft
-erzeugen, da der Schalter q. die zu den Steuerschützen 5 bzw. 6 führende Leitung
unterbricht. Gleichzeitig mit der Betätigung der Bereitschaftsrelais wird die Schaltscheibe
durch den von dem Fallbügelinstrument ausgehenden Impuls bei Abweichungen vom Normalwert
um 1/16 des Kreisumfanges im Sinne der Abweichung gedreht. Wenn die Steuermessung
von einem der Regeneratoren A bis D ergeben hat, daß die Temperatur
der Luft unter dem Normalwert liegt, wird eines der Relais z" bis =d betätigt und
gleichzeitig die Scheibe im Gegensinne des Uhrzeigers gedreht. Ergibt die Steuermessung,
daß die Luft den Regenerator zu warm verläßt, dann tritt eines der Relais 3" bis
3,1 in Wirkung, und die Scheibe wird im Sinne des Uhrzeigers gedreht. Falls von
dem Fallbügelinstrument der Normalwert der Lufttemperatur gemessen wird, sprechen
nur die Relais 2" bis 2d an, während die Schaltscheibe in Ruhe bleibt.
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Da einerseits die Temperaturen der aus den Regeneratoren austretenden
Luft am Ende derjenigen Schaltperioden gemessen werden, in denen die Regeneratoren
von Luft durchströmt werden, andererseits die Zeitpunkte, in denen die Sauerstoff-
und Stickstoffregeneratoren umgeschaltet werden, gegeneinander verschoben sind,
erfolgt die Messung der einzelnen Regeneratortemperaturen nacheinander in gleichen
Zeitabständen, so daß auch die Betätigung der verschiedenen Relais und die Drehungen
der Schaltwalze auf Grund der- Messungen an den einzelnen Regeneratoren nacheinander
ausgelöst werden.
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Die Mittelwertsbildung über die einzelnen Temperaturwerte tritt dadurch
ein, daß eine Betätigung der Drosselklappen durch das Schließen des Schalters q.
immer erst dann ausgelöst wird, wenn alle vier Regeneratoren einmal ihren Meßwert
den Relais = bis 3 der Schaltscheibe mitgeteilt häben." und die` Schältscheibe nach
je vier Messungen eine Stellung einnimmt, die
durch die Summe aller
vier Einzelverschiebungen gegeben ist. Wenn beispielsweise zwei Regeneratoren zu
kalt und zwei zu warm waren, heben sich die durch die einzelnen Temperaturmessungen
bewirkten Verschiebungen der Scheibe gegenseitig auf. Wenn drei Regeneratoren zu
warm waren und einer zu kalt, dann wird die Scheibe im Zeitpunkt der Steuerung um
zwei Einheiten im. Sinne des Uhrzeigers aus ihrer Normalstellung verdreht sein.
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Die durch die Drehung der Schaltscheibe infolge der einzelnen Impulse
bewirkte Mittelwertsbildung über die Temperaturmessungen ergibt den wahren Normahvert
der Regeneratorentemperaturen und wirkt sich auf die Steuerung der Drosselklappen
folgendermaßen aus: Wenn alle vier Regeneratoren über das Fallbügelinstrunment ihren
Impuls abgegeben haben, wird der Schalter 4 betätigt, der die Stromkreise schließt,
in denen die die Drosselklappen betätigenden Schütze 5" bis 5,1 für das Öffnen
bzw. 6" bis 6,1 für das Schließen liegen. Es können nun nicht sämtliche Relais i,
2 oder 3 eine Steuerung auslösen, sondern nur diejenigen, deren Kontaktfedern 9,
io oder ii über die Metallschienen 7a bis 7,1 bzw. 8a bis 8d mit den Schützen in
leitender Verbindung sind. Hierdurch wird erreicht, daß nur die Luftzufuhr zu denjenigen
Regeneratoren, deren Temperatur von dem Mittelwert sämtlicher Temperaturen abweicht,
gesteuert wird. Diese Wirkung soll an zwei Beispielen erläutert werden. Die Temperaturmessung
habe ergeben, daß die Regeneratoren A und C wärmer, die Regeneratoren
B und D kälter als der Normalwert sind. Hierdurch kommen die Relais
3" und 3, bzw. ib und id in Schaltbereitschaft. Die Scheibe steht, da sich die einzelnen
Verschiebungen gegenseitig aufgehoben haben, in der in der Figur dargestellten Lage.
Es sind also die Relais ib und id über die Schienen 7b und 7d mit den Schützen 5b
und 5d verbunden, ebenso die Relais 3a und 3, über die Schienen 8" und 8, mit den
Schützen 6" und 6", so daß alle Temperaturmessungen auch nach der Mittelwertsbildung
Steuerung auslösen, da ja auch die Temperatur aller Regeneratoren von dem Mittelwert
abweicht. Infolgedessen wird die Luftzufuhr zu den Regeneratoren A und C gedrosselt,
dagegen zu B und D vergrößert.
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In einem anderen Falle seien alle vier Regeneratoren gegenüber dem
vorgegebenen Normalwert zu kalt, weil beispielsweise die Normaltemperatur falsch
gewählt wurde. Bei dem Verfahren des Hauptpatents würde in diesem Falle fälschlich
die Luftzufuhr zu sämtlichen Regeneratoren verstärkt, während dies bei dem neuen
Verfahren nicht eintritt. Durch die Temperaturmessung werden zwar alle Relais i"
bis id in Schaltbereitschaft gebracht, jedoch ist gleichzeitig die Schaltscheibe
um vier Verschiebungen, also insgesamt um 9o ',-im Gegensinne des Uhrzeigers verdreht
worden, so daß die Kontakte 9 die Schienen 7 nicht mehr berühren und auch nach Schließen
des Schalters 4 der zu den Schützen 5 führende Stromkreis offen bleibt.
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Eine Steuerung der Luftzufuhr zu den einzelnen Regeneratoren wird
im allgemeinen nur in den in der Tabelle angegebenen Fällen ausgelöst. In der Tabelle
ist in den einzelnen Spalten die Anzahl der Regeneratoren angegeben, die sich in
einem bestimmten Zustand befinden, während die Buchstaben neben den Zahlen den speziellen
Zustand charakterisieren. Hierbei bedeutet n: die aus dem Regenerator austretende
Luft besitzt die Normaltemperatur; k heißt, daß sie zu kalt, und w, daß sie zu warm
ist. Diejenigen Regeneratoren, bei denen nach der Mittelwertsbildung die Luftzufuhr
verändert wird, sind unterstrichen.
| Stellung Verschiebung der Ergebnis |
| der Scheibe nach vier der |
| Scheibe Steuermessungen Steuermessung |
| unverändert o 2 k 2 w |
| 2 n i k i w 4 n |
| l i 3n ik in iw 2k |
| der Ver- 2 2 za 2 k ' i w 3 k j |
| schiebungen 3 i n 3 k |
| nach kalt |
| 4 4k |
| f |
| Anzahl i 3 n i w i n i k 2 w |
| der Ver- 2 2 sz 2 w i k 3 w |
| schiebungen 3 i @t 3 w |
| nach warm |
| 4 4w |
Nachdem, durch Betätigung des Schalters q. die Steuerung der Drosselklappen
in den durch Unterstreichung gekennzeichneten Fällen erfolgt ist, wird die Scheibe
wieder in die Ausgangsstellung gebracht und der Schalter q. geöffnet. Der Schalter
q. wird hierbei in geeigneter Weise mit der Schaltmaschine gekuppelt, die die Umschaltung
der Regeneratoren vornimmt.
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Bei der in der beschriebenen Weise einer Steuerung vorausgehenden
Mittelwertsbildung wirken die Temperaturmessungen von allen Regeneratoren mit dem
gleichen Gewicht. Es wird also nicht berücksichtigt, welche Luftmenge durch den
einzelnen Regenerator strömt. Infolgedessen braucht der für die Steuerung durch
die Schaltvorrichtung bestimmte Mittelwert der Regeneratortemperaturen nicht mit
der effektiven Temperatur der die Regeneratoren verlassenden Luft übereinzustimmen.
Eine falsche Regulierung wird hierdurch jedoch nicht bewirkt, da die nach der Mittelwertsbildung
betätigten Drosselklappen der durch den betreffenden Regenerator strömenden Luftmenge
angepaßt sind, so daß bei ihrer Betätigung die einzelnen Messungen nachträglich
automatisch mit einem der durch den Regenerator strömenden Luftmenge entsprechenden
Gewicht belegt werden.
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Falls das Frischgas über mehr als vier Regeneratoren zu verteilen
ist, läßt sich das Verfahren gemäß der Erfindung in prinzipiell gleicher Weise durchführen.
An der Schaltvorrichtung werden dann für jeden weiteren Regenerator weitere drei
Relais Ix, 2";, 3x und die dazugehörigen Stromschienen 7x und 8x vorgesehen,
die zu den Steuerschützen 5T und 6,. führen. Die Aniahl der Verschiebungen, die
die Schienen 7 und 8 im, allgemeinen Fall in der Nullstellung der Schaltvorrichtung
vor den Kontaktfedern 2 enden, ist gleich der Hälfte der Anzahl der Einzelmessungen,
also bei der Verwendung von sechs Regeneratoren drei und bei acht Regeneratoren
vier Verschiebungen vor der Nullstellung.
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Es ist außerdem, mit der beschriebenen Einrichtung möglich, die Regulierung
der Frischgasverteilung über die einzelnen Regeneratoren in mehrere Stufen zu unterteilen.
In diesem Falle werden von dem Fallbügelinstrument, wenn. die Regeneratortemperaturen
um größere Beträge von dem, Normalwert abweichen, weitere Relais betätigt, die dann
eine stärkere Veränderung der Frischgasmengen auslösen. Die Mittelwertsbildung erfolgt
in diesem Falle so, daß die Relais der zweiten Stufe ihre Impulse auf eine Schaltvorrichtung
übertragen, die in gleicher Weise wie die für die erste Stufe beschriebene wirkt.
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An Stelle der in dem Ausführungsbeispiel angegebenen elektrischen
Übertragung der Meßimpulse und der elektrischen Mittelwerts-Bildung können analog
wirkende mechanische Steuervorrichtungen verwendet werden. An Stelle der Relais
r bis 3 und der Kontakte g bis ii können beispielsweise Strahlrohre treten, und
die Kontaktschienen 7 und 8 werden dann durch entsprechende Öffnungen der Schaltvorrichtungen
ersetzt.
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Wenn eine Steuerung der Gaszufuhr zu den Regeneratoren vorgenommen
wird, nachdem die Regeneratoren je einmal ihren Meßimpuls abgegeben haben, so würde
infolge der langsamen Gleichgewichtseinstellung eine starke Übersteuerung eintreten.
Es wird deshalb ebenso wie bei dem Verfahren des Hauptpatents entweder nur nach
jeder fünften bis zehnten Mittelwertsbildung die Stellung der Drosselklappen verändert,
oder die Übersteuerung wird durch die im Hauptpatent angegebene Rückführung ausgeglichen.
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Mit der Verteilung der Frischgasmengen auf die einzelnen zur Kühlung
verwendeten Regeneratoren läßt sich in einfacher Weise eine Betriebsüberwachung
und Betriebskontrolle verbinden. Zu diesem Zweck werden beispielsweise zugleich
mit den Relais i des Ausführungsbeispiels rote, mit den Relais 2 weiße und den Relais
3 grüne Signallampen betätigt, die dem Bedienungspersonal unmittelbar anzeigen,
ob ein Regenerator die Normaltemperatur aufweist oder nicht. Ebenso können die Impulse
der Relais i, 2 oder 3 auf einen Mehrfachschreiber übertragen werden, wobei je nach
den Bedürfnissen der Betriebsüberwachung entweder die Temperaturen der Regeneratoren
oder die einzelnen Steuerungen nach der Mittelwertsbildung aufgeschrieben werden
können.
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Das hier beschriebene Verfahren. zur automatischen Regelung, Überwachung
bzw. Kontrolle der durch die einzelnen Regeneratoren strömenden Frischgasmengen
durch Messung von Temperaturen und Steuerung der Abweichungen vom Mittelwert läßt
sich in allen den Fällen anwenden, in denen eine Menge, Temperatur oder Konzentration
auf Grund der Messung einer Zustandsgröße bei mehreren gleichartigen parallel oder
hintereinandergeschalteten Apparaten geregelt werden soll, wobei gleichzeitig die
.Gesamtmenge, die Gesamttemperatur oder die Gesamtkonzentration von einem vorgegebenen
Ausgangswert ausgehen oder zu einem bestimmten Endwert führen soll. Dies ist beispielsweise
der Fall, wenn mehrere Kompressoren verschiedener Größe parallel arbeiten und man
einen gegebenen Enddruck mit einem Minimum an Arbeitsverbrauch erreichen will oder
wenn bei einem vielstufigen Kompressor alle Stufen gleichmäßig belastet sein sollen.
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Ein weiteres Beispiel für die Anwendungsmöglichkeit der Regelmethode
gemäß der Erfindung ist die Steuerung der Dampfentnahme
aus mehreren
parallel arbeitenden Dampfkesseln, wobei gleichzeitig automatisch berücksichtigt
wird, falls die einzelnen Kessel eine verschiedene Charakteristik aufweisen, daß
trotz Veränderung der gesamten Dampfentnahme sämtliche Kessel gleichmäßig belastet
sind.