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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Zufuhr der ganzen Menge
oder einer Teilmenge des Arbeitsmittels oder des Brennstoffes oder beider zusammen
bei Röhrendämgferzeugern Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur selbsttätigen
Regelung der Zufuhr der ganzen Menge oder einer Teilmenge des Arbeitsmittels oder
des Brennstoffes oder beider zusammen bei Röhrendampferzeugern mit einem von der
Arbeitsmitteltemperatur beeinflußten Temperaturaufnehmer.
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Bei derartigen Regeleinrichtungen ist es bekannt, den als Impulsgeber
dienenden Temperaturaufnehmer in der Verdampfungszone oder am Ende der Überhitzungszone
anzuordnen. Die Regelung in Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsmittels in
der Verdampfungszone hat insofern einen Nachteil, als die Naßdampftemperatur bei
gleichbleibendem Druck für alle Feuchtigkeitsgrade des Dampfes einen und denselben
Wert aufweist, so daß innerhalb weiter Grenzen des Dampfzustandes der Temperaturaufnehmer
überhaupt nicht beeinflußt wird. Die Regelung in Abhängigkeit von der Temperatur
des Arbeitsmittels, welche am Ende der Überhitzungszone herrscht, bringt deshalb
Nachteile mit sich, weil die Heißdampftemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger
sich selbst einige Zeit nach Betriebsänderungen noch nicht ändert, sondern erst,
nachdem die in der Rohrwand des Überhitzers gespeicherte Wärme sich entsprechend
den neuen Verhältnissen verändert hat und die Rohrwandtemperatur vom normalen Wert
abweicht.
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Gemäß der Erfindung ist deshalb der als Impulsgeber dienende Temperaturaufnehmer
an einer Stelle des Rohrstranges angeordnet, die bei normaler Belastung des Dampferzeugers
am Anfang der Überhitzungszone in dieser liegt.
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Die spezifische Wärme der Rohrwand ist über die ganze Länge des Rohrstrangs
die gleiche, während die spezifische Wärme des Arbeitsmittels sich verändert. Benötigt
das Arbeitsmittel beispielsweise am Anfang des Rohrstrangs für Temperaturänderungen
ungefähr dieselbe Wärmemenge wie die Rohrwandung, so sinkt die für das Arbeitsmittel
benötigte Wärmemenge am Austrittsende des Rohrstranges auf einen Bruchteil der für
die Rohrwand benötigten Wärmemenge. Bei Betriebsänderungen wird somit die Temperatur
desArbeitsmittels amEnde dertberhitzungszone durch die in der Rohrwand der Überhitzungszone
gespeicherte Wärmemenge eine bestimmte Zeit lang ausgeglichen, so daß am Austrittsende
des Rohrstranges Temperaturänderungen des Arbeitsmittels zunächst noch nicht bemerkbar
werden, wenn auch am Anfang der Überhitzungszone die Temperatur sich schon verändert
hat. Bei der Anordnung des als Impulsgeber dienenden Temperaturaufnehmers am Anfang
der Überhitzungszone werden deshalb Regelverzögerungen vermieden.
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Einige Ausführungsbeispiele des Erfindüngsgegenstandes sind auf der
Zeichnung schematisch dargestellt.
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Fig. r zeigt einen Röhrendampferzeuger,
bei welchem
die Zuführung- des Brennstoffes in Abhängigkeit von dei@Arbeitsmitteltemperatur
im Rohrsystem geregelt wird.
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Fig. 2 stellt ein Diagramm des Temperaturverlaufs im Rohrsystem bei
verschiedenen Betriebsverhältnissen dar.
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Fig. 3 veranschaulicht einen Röhrendampf= erzeuger, bei welchem die
Zuführung des Arbeitsmittels in Abhängigkeit von der Arbeitsmitteltemperatur im
Rohrsystem geregelt wird.
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Fig.4 veranschaulicht einen Dampferzeuger, bei welchem die Zuführung
des Arbeitsmittels und die Zuführung des. Brennstoffes in Abhängigkeit von der Arbeitsmitteltemperatur
im Rohrsystem geregelt werden.
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Fig. 5 stellt ein weiteres. Ausführungsbeispiel dar, bei welchem eine
zusätzliche Menge des zu speisenden Arbeitsmittels in Abhängigkeit von der Temperatur
des Arbeitsmittels im Rohrsystem geregelt wird.
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Schließlich ist in Fig. 6 die bei der Anlage nach Fig. 5 verwendete
Temperaturaufnehmevorrichtung in größerem Maßstab dargestellt.
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Bei den dargestellten Anlagen wird dem im Brennraum i angeordneten
Rohrstrang 2 das Arbeitsmittel als Speiseflüssigkeit an einem Ende durch .die Leitung
3 zugeführt, am anderen Ende des Rohrstranges als überhitzter Dampf entnommen und
durch die Leitung 4 zu der Verbrauchsstelle geführt. Durch eine Leitung 6 wird der
Brennstoff und durch eine weitere Leitung 7 wird die Verbrennungsluft dem Brenner
5 zugeführt. Die bei der Verbrennung - -entstehenden Rauchgase werden durch den
Kanal 8 abgeführt.
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Bei den Anlagen nach Fig. 1, 3 und 4 werden die . zuzuführende Arbeitsmittelmenge
durch- "ein Ventil 9 und die zuzuführende Brennstoffmenge-,durch ein Ventil io geregelt.
In den Fig. i und 3 ist ,noch ein Ventil ii zur Regelung der zu entnehmenden Dampfmenge
dargestellt. Bei den in den Fig. i und 3 dargestellten Dampferzeugern ist an der
Stelle 16 eine Temperaturaufnehmevorrichtung 17 in den Rohrstrang 2 eingebaut; welche
die Temperatur des an dieser Stelle -durchströmenden Arbeitsmittels aufnimmt und-
in Abhängigkeit von der aufgenommenen Temperatur einen Impuls weiter leitet, der
zur Beeinflussung von Steuereinrichtungen verwendet wird. Die Meßstelle 16 liegt
an einer Stelle, die bei normaler Belastung des Kessels .am Anfang der Überhitzungszone
in dieser liegt. An dieser Stelle sind auch bei- den in den Fig. 4 und 5 dargestellten
Anlagen die lTemperaturaufnehmevorrichtungen angeordnet.
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Die.Arbeitsweise des Dampferzeugers geht aus dem in Fig.2 dargestellten
Diagramm hervor,- in welchem auf der waagerechten Achse die. Länge l des Rohrstranges
2 (Fig. i ) zwischen der Eintrittsstelle E und der Austrittsstelle A aufgetragen
ist, während auf der senkrechten Achse die zugehörige Temperatur T des Arbeitsmittels
aufgetragen ist.
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Durch die ausgezogen gezeichnete Kurve 12 ist der Beharrungszustand
imRohrstrang 2 dargestellt. Zuerst wird das noch flüssige Arbeitsmittel zwischen
dem Eintrittsende E und dem Punkt 13 des Rohrstranges auf die Verdampfungstemperatur
V vorgewärmt und von hier bis zum Punkt 14 vollständig in Sattdampf überführt. Die
Temperatur des Arbeitsmittels wird dabei dem bei der Strömung desArbeitsmittels
stattfindenden Druckabfall entsprechend von einem höheren Wert bei beginnender Verdampfung
auf einen niedrigeren Wert bei vollendeter Verdampfung abfallen. Alsdann wird der
Sattdampf bis zum Austritt aus dem Rohrstrang (Punkt 15) auf die Temperatur U überhitzt.
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Bei dieser Zustandsänderung .des Arbeitsmittels zwischen der Eintrittsstelle
E und der Austrittsstelle A verteilt sich ungefähr die aufgenommene Wärmemenge zu
3/1o auf die Erwärmung des flüssigen Arbeitsmittels in der Erhitzungszone, zu 6/1o
auf die Verdampfung in _ der Verdampfungszone und endlich zu 1/1o auf die Überhitzung-
in der Überhitzungszone.
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Wird die dem Rohrstrang .2 zugeführte Speiseflüssigkeitsmenge bei
gleichbleibender Beheizung vergrößert, so ändern sich die Temperaturen des Arbeitsmittels
im Rohrstrang 2 entsprechend dem durch die Kurve 12a dargestellten Verlauf. Der
Anfang der Verdampfungszone ist gegenüber dem ursprünglichen Punkt 13 auf den spätern
Punkt 13" verschoben, und ebenso ist auch der Anfang der Überhitzungszone vom ursprünglichen
Punkt 14 auf den Punkt 14" verschoben. Die -für die Überhitzung des Arbeitsmittels
-notwendige Wärmemenge ist gegen-Über der für die Erwärmung und für die Verdampfung
nötigen Wärmemenge so klein, daß die in der Rohrwandung gespeicherte Wärmemenge
während einer längeren Zeit noch genügt, das Arbeitsmittefbis zu seinem Austritt
aus dem Rohrstrang beim Punkt 1 5a genügend zu überhitzen.
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Wenn auch bei dieser Änderung der Speiseflüssigkeitsmenge die Temperaturänderungen
am Austrittsende des Rohrstranges selbst infolge des großen Wärmeinhaltes des Rohrstranges
und, des geringen Wärmebedarfs für die Überhitzung des Arbeitsmittels zunächst nur
unwesentlich- sind, finden dennoch im Innern des Rohrstranges zwischen den Eintritts-
und dem Austrittsende schon -größere Temperaturänderungen statt. Erst nachdem eine
längere Zeit eine ' vergrößerte Arbeitsmittelmenge
zugeführt ist,
ist der Wärmeinhalt der Röhrwandungen am Austrittsende zwischen den Punkten 14 und
15 so weit aufgezehrt, daß die Temperatur des austretenden Dampfes sprunghaft annähernd
bis auf seine Sättigungstemperatur fällt.
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Der Verlauf der Temperatur des Arbeitsmittels über die Länge des Rohrstranges,
wie er sich bei diesem neuen Zustand einstellt, ist durch die Kurve lab dargestellt.
Der Punkt 13 am Anfang der Verdampfungszone und der Punkt 14 am Anfang der Überhitzungszone
sind noch weiter gegen das Austrittsende des Rohrstranges bis an die Punkte 13b
bzw. 14b verschoben. Das flüssige Arbeitsmittel und das zwischen den Punkten 13b
und 14b befindliche Gemisch von Flüssigkeit und Dampf entzieht den Rohrwandungen
eine so große Wärmemenge, daß der Rest der in den Rohrwandungen gespeicherten Wärme
nicht mehr ausreicht, den Dampf vom Punkt 14b ab auf die notwendige Temperatur zu
überhitzen und ein sprunghaftes Fallen der Dampftemperatur am Austrittsende des
Rohrstranges vom Punkt 15" auf den Punkt 15b unvermeidlich ist. Kurz darauf wird
überhaupt nur noch Saftdampf oder sogar Naßdampf aus dem Rohrstrang austreten.
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Die Regelung des Betriebes eines Röhrendampferzeugers in Abhängigkeit
von der Temperatur des Arbeitsmittels am Austrittsende des Rohrstranges hat daher
den Nachteil, daß bei Änderungen der Arbeitsmittelmenge zunächst auf die Regelvorrichtungen
kein Impuls erteilt wird und erst eine geraume Zeit nach den Betriebsänderungen
die Regelvorrichtungen verstellt werden. Außer einer empfindlichen Verzögerung der
Regelung hat das auch Pendelungserscheinungen im Betrieb zur Folge.
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Wird dem Dampferzeuger bei gleichbleibender Beheizung eine kleinere
als die normale Speiseflüssigkeitsmenge zugeführt, so wird diese rascher erwärmt.
Ihr Zustand folgt der Kurve 12" wobei Anfang und Ende der Verdampfungszone von den
ursprünglichen Punkten 13 und 14 auf die neuen Punkte 13, und 14, vorgeschoben werden.
Die geringe Wärmeaufnahme des Dampfes von dem Punkt 14, bis an den Punkt 15, am
Austritt aus dem Rohrstrang bewirkt, daß die Temperatur des Dampfes beim Austritt
aus dem Dampferzeuger sich zunächst nur um ein geringes Maß vom Punkt 15 auf den
neuen Punkt 15, erhöht. Erst nach einer längeren Zeit wird sich auch am Austritts--nde
des Rohrsystems, ähnlich wie bei einer Vergrößerung der Speiseflüssigkeitsmenge,
eine sprunghafte Änderung der Temperatur bemerkbar machen, welche die Temperatur
des Dampfes und der Rohrwandungen in kurzer Zeit auf ein für das Rohr gefährliches
Maß erhöhen kann: Gemäß der Erfindung wird nun der zur Regelung des Betriebes solcher
Dampferzeugeranlagen vorgesehene, von der Temperatur des Arbeitsmittels beeinflußte
Aufnehmer an einer Stelle des Rohrstranges angeordnet, die bei normaler Belastung
am Anfang der Überhitzungszone in dieser liegt. Wie aus dem Diagramm (Fig.2) zu
ersehen ist, ist die Temperaturaufnähmestelle 16, welche am Anfang der Überhitzungszone
liegt, unmittelbar nach eintretenden Betriebsänderungen schon durch Temperaturänderungen
beeinflußt. Die Regelung des Betriebes von Dampferzeugern in Abhängigkeit von Temperaturaufnehmevorrichtungen,
welche an dieser Stelle angeordnet sind, hat somit den Vorteil, daß die Regeleinrichtung
sofort nach Betriebsänderungen eingreift und damit das Entstehen von Regelverzögerungen
und Pendelungen im Betrieb vermeidet. Diese Regelung ergibt den Vorteil, daß die
Temperatur des erzeugten Dampfes praktisch keinen Schwankungen mehr unterworfen
ist.
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Die Stelle 16 (Fig. 2) ist so zu wählen, daß auch bei den größten
Abweichungen von der Normaltemperatur, wenn das Ende der Verdampfungszone infolge
einer Steigerung der Speisewasserzufuhr über die Meßstelle 16 hinausreicht (Punkt
14Q), die Sattdampftemperatur noch nicht die als normal einzustellende Überhitzungstemperatur
erreicht, Bei Verschiebungen der Verdampfungszone gegen das Ende des Rohrstranges
(Stellung 11, bis 14Q) wird dann der Temperaturaufnehmer niemals durch eine
höhere als die normal einzustellende Temperatur beeinflußt. Eine Umkehrung des Regelvorgangs,
was einem Versagen der Regelvorrichtung gleichkäme; tritt dann nicht ein.
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Bei der in der Fig. i dargestellten Anlage ist in den Rohrstrang 2
an der Stelle 16 ein Thermoelement 17 eingebaut, dessen Ströme ein Maß für die Temperatur
des Arbeitsmittels darstellen. Durch die Leitung 18ß werden die Ströme auf den Servorotor
1g übertragen, welcher nach Maßgäbe dieser Ströme das Zuführungsventil 1o für den
Brennstoff steuert. Wenn die Temperatur des Arbeitsmittels an der Stelle 16 sich
erhöht bzw. erniedrigt, wird dem Brenner 5 weniger bzw. mehr Brennstoff zugeführt,
wodurch die Temperatur wieder auf-ihren ursprünglichen Wert gebracht wird.
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Fig. 3 zeigt einen Dampferzeuger, bei welchem die Arbeitsmittelmenge
in Abhängigkeit von der Arbeitsmittelternperatur an der Stelle 16 geregelt wird.
Der von dem Thermoelement 17 über die Leitung 18 gesteuerte Servomotor 19 verstellt
seinerseits
das Ventil 9 in der Zuleitung 3 für das Arbeitsmittel
derart, daß bei einer Erhöhungder- Arbeitsmitteltemperatur an der Stelle 16 das
Ventil g geöffnet wird und umgekehrt bei einer Erniedrigung der Arbeitsmitteltemperatur
dieses Ventil geschlossen wird. Durch diese Regelung wird ebenfalls eine unveränderliche
Temperatur des aus dem Rohr-. system ?"austretenden Dampfes erreicht.
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Der in Fig.4 dargestellte Dampferzeuger wird unmittelbar durch die
infolge Temperaturänderungen verursachten Längenänderungen eines Teils des Rohrstranges
:2 an der in den Fig. i und 2 mit 16 bezeichneten Meßstelle am Anfang der: Überliitzungszone
geregelt. An zwei Stellen 25 und 26 ist hier der Rohrstrang 2 außerhalb des Verbrennungsraums
geführt. Die durch Änderungen der Temperaturen des durchströmenden Arbeitsmittels
entstehenden Längenänderungen des Rohrstückes 31 zwischen den Stellen 25 und 26
dienen zur Steuerung der beiden Ventile g und io.
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An der Stelle 25 ist das Rohrstück 3 i mit einer festen Unterlage
verbunden, so daß es an dieser Stelle nicht beweglich ist. Der Hebel 29 ist durch
das Gelenk 27 auch mit der Stelle 25 verbunden. Am Hebel 29 greift das Gestänge
3o an, das an der Stelle 26 durch das Gelenk 28 mit dem Rohr 3 i in Verbindung steht.
Bei der Erhöhung der Arbeitsmitteltemperatur im Rohr 31 wird das Gelenk 28 nach
unten nach 28" verschoben, so daß das Verbindungsstück 26 die gestrichelt gezeichnete
Lage 26Q und das Gestänge 30- die Lage 3o" einnehmen. Dabei wird der Hebel 29 in
die gestrichelt gezeichnete -Stellung 2.9" gebracht. Das mit dem Einstellhebel des
Ventils 9 in Verbindung stehende Gestänge 32 wird dadurch nach unten verschoben
(32Q) und das Ventil 9 -für die Zuführung des Arbeitsmittels geöffnet. Der um den
festen Drehpunkt 33 drehbare Hebel-34 wird gleichzeitig in die gestrichelt gezeichnete
Lage 34, und das Gestänge 35 in eine höhere Lage 35Q verstellt, so daß das Ventil
io für -die Zuführung des Brennstoffes geschlossen wird.
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Bei dieser vermehrten Zuführung von flüssi-' gem Arbeitsmittel durch
die Leitung 3 und der verminderten Zuführung von Brennstoff durch die Leitung 6
wird die -Temperatur des im Rohrstrang strömenden -Arbeitsmittels so lange erniedrigt,
bis zwischen den Stellen 25 und 26 des Rohrsystems sich die normale Betriebstemperatur
wieder eingestellt- hat. Beim. Sinken der Temperatur des Arbeitsmittels im Rohrstück
3 1 werden die Ventile 9 und io in umgekehrter Weise so verstellt, daß einerseits
die Zuführung des Arbeitsmittels verkleinert, andererseits die Zuführung des Brennstoffes
vergrößert und dadurch inr Rohrsystem 2 die ArbeItsmittelteniperatur wieder -auf
ihre n6rmale Höhe .gebracht wird.
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Bei dem in der Fig. 5, dargestellten Dampferzeuger wird der Brennstoff
mittels einer Pumpe 4o durch die Leitung 6 dem Brenner 5 zugeführt und die Hauptmenge
des Arbeitsmittels mittels einer Pumpe 41 durch die Leitung 3 in den Rohrstrang
2 gefördert. Beide Pumpen 40 und 41 werden gemeinsam von derselben Kraftmaschine
42 angetrieben, so daß ihre Fördermengen immer in einem bestimmten Verhältnis zueinander
stehen. Außerdem wird durch eine Hilfspumpe 43 eine zusätzliche Menge Arbeitsmittel
in das Rohrsystem ?,- eingeführt. Die Hilfspumpe 43 wird von einer besonderen
Kraftmaschine 44 angetrieben und in Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsmittels
im Rohrstrang am Anfang der Überhitzungszone derart gesteuert, daß die Hilfspumpe
43 bei erhöhter Arbeitsmitteltemperatur im Rohrstrang :2 eine größere- Menge und
umgekehrt bei erniedrigter Temperatur eine kleinere Menge des zusätzlichen Arbeitsmittels
fördert.
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Die grobe Regelung dieses Dampferzeugers erfolgt durch. -die Änderung
der Drehzahl der Kraftmaschine 42, welche die Hauptspeisepumpe 41 und die Brennstoffpumpe
40 antreibt.
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Die Feihregelung auf unveränderliche Dampftemperatur wird so ausgeführt,
daß zwischen zwei Stellen-45 und 46 des Rohrstranges 2 eine Umgehungsleitung 47
eingeschaltet . ist, in welche die in Fig. 6 gezeigte Regelvorrichtung eingebaut
ist. In das Innere des Rohres 47 ist ein zweites Rohrstück 48 aus einem anderen
Baustoff und mit engerem Querschnitt derart -eingebaut, daß es mit seinem einen
Ende 49 mittels des durchbohrten Körpers 50 unbeweglich mit der Leitung 47
verbunden, ist, während es an seinem anderen Ende 5 i einen Gleitschuh 52 trägt.
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Der ,Baustoff der beiden Rohre 47 und 48 ist so gewählt,.daß der Wärmeausdehnungskoeffizient
beider Rohre 47 -und 48 verschieden ist. (z. B. Messing und Eisen), so daß
bei einer Erhöhung der Temperatur des durch das Rohr 48 und die Bohrungen 54 im
Körper So fließenden Arbeitsmittels das Rohr 48 gegenüber dem Rohr 47 verlängert
wird und unigekehrt bei einer Erniedrigung der Arbeitsmitteltemperatur verkürzt
wird. Der Gleitschuh 52 gleitet eng anliegend auf der inneren Rohrwand der Umgehungsleitung
47. Er schließt bei einer Verkürzung des Rohres 48 gegenüber dein: Rohr 47 die Zweigleitung
53 ab und öffnet diese bei einer Verlängerung des Rohres 48 gegenüber dem Rohr q-7.
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-,Die Kraftmaschine 44 der Hilfsspeisepumpe 43 (Fig. 5) ist
als Dampfkraftmaschine ausgebildet und wird durch den Dampf betrieben,
der
durch die Abzweigleitung 53 aus der Umgehungsleitung 47 abgezapft wird (Fig. 5).
Bei einer Erhöhung der Arbeitsmitteltempera= tur in der Umgehungsleitung 47 erhält
ajso die Kraftmaschine 44 eine größere Dampf= menge, so daß sie schneller läuft
und 'die Pumpe 43 eine größere Menge zusätzlichen Arbeitsmittels in den Rohrstrang
2 fördert. Dagegen wird bei einer Erniedrigung der Arbeitsmitteltemperatur in der
Umgehungsleitung 47 die Drehzahl der Pumpe 43 verkleinert, so daß eine kleinere
Menge zusätzlichen Arbeitsmittels dem Rohrstrang 2 zufließt.
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Die Arbeitsweise dieses Dampferzeugers ist derart, daß die Regelung
auf unveränderliche Dampftemperatur am Austritt A aus dem Dampferzeuger durch Veränderung
der durch die Pumpe 43 geförderten Teilmengen des Arbeitsmittels in Abhängigkeit
von dem Temperaturaufnehmer (47, 48, 52) und die Regelung auf Belastungsänderung
des Dampferzeugers durch Veränderung der durch die Pumpe 41 geförderten Hauptmenge
des Arbeitsmittels und der durch die Brennstoffpumpe 40 geförderten Brennstoffmenge
erfolgt.
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Die zusätzliche Hilfsmenge des Arbeitsmittels kann auch nach der Einführung
der Hauptmenge des Arbeitsmittels, z. B. an der Stelle 6o (Fig. 5), durch die gestrichelt
gezeichnete Leitung 61 in den Rohrstrang eingeführt werden, was den Vorteil einer
noch genaueren und noch rascheren Regelung bringt.