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Kalorimetrischer Dampfmengenmesser
Es ist bekannt, Dampfmengen mittels
eines in einem Wärmeaustauscher kondensierenden Teildampfstromes zu bestimmen. Es
wird dabei der Integralwert des Wärmeflusses quer durch die Gesamtfliclle der Wand
des Wärmeaustauschers bestimmt.
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Dieses Meßverfahren hat neben den prinzipiellen Vorteilen der kalorimetrischen
Teildampfstrommessung erhebliche Alängel. Sie bestehen darin, daß die Temperaturverteilullg
innerhalb des Wärmeaustauschers, die von dem Dampfmengenfluß und der Intensität
der Iiühlung abhängt, erheblich in den gemessenen Integralwert des Wärmeflusses
eingeht. Auch die durch die Dampfzu- und -ableitungsrohre in den Wärmeaustauscher
fließende Wärmemenge fälscht die Messung insbesondere bei kleiner Belastung des
Dampfmessers sehr erheblich.
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Die vorliegende Erfindung setzt sich die Aufgabe, diese und noch
andere Fehler und Schwächen des genannten Verfahrens zu beseitigen.
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Der Teildampfstrom wird in einem waagerechten Rohr kondensiert, das
den Dampfentnahmestutzen mit einem Luftkühler verbindet. Die dabei auftretende Kondensationswärme
verändert den Temperaturverlauf des waagerechten Kondensatorrohres, da durch die
eintretende Kondensation ein verstärkter Wärmefluß in Richtung auf den Luftkühler
erfolgt. Die Größe des Wärmeflusses hängt von der Menge des kondensierenden Dampfstromes
ah.
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Die Größe des zusätzlichen Wärmeflusses kann durch eine einfache
Temperaturdifferenzmessung beispielsweise mit Hilfe von Thermoelementen gemessen
werden, wobei die eine Lötstelle des Thermoelementes in der Mitte des Kondensatorrohres
angebracht wird. Die zweite Lötstelle wird an einem identischen Ort eines Vergleichskondensatorrohres
angebracht, das den Dampfeintrittsstutzen in völlig identischer Weise mit dem Luftkühler
verbindet, jedoch nicht dampfdurchströmt ist und daher einen Temperaturverlauf aufweist,
der der Dampfmenge Null entspricht. Auf diese Weise werden die gegenüber der Kondensationswärme
des Dampfes keineswegs zu vernachlässigenden Wärmemengen durch Leitung längs des
Kondensatorrohres, die von der Temperatur des Dampfeintrittsstutzens und der des
Luftkühlers abhängen, in der Anzeige des kalorimetrischen Dampfmengenmessers vollständig
kompensiert. Aus dem gleichen Grunde fälschen auch Wärmeverluste des Kondensatorrohres
gegenüber der kälteren Umgebung die Messung nicht. Sie lassen sich jedoch auch durch
eine das Kondensatorrohr und das Vergleichsrohr gemeinsam umschließende rohrförmige
Verbindung des Dampfeintrittsstutzens mit dem Luftkühler praktisch vollkommen verhindern.
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Die Erfindung besteht demnach im Prinzip darin, daß die in dem Dampfstrom
als Kondensations-oder auch als Wiederverdampfungswärme auftretende Wärmemenge'
als Maß der Dampfmenge dient dadurch, daß die Wärmemenge eine Temperaturdifferenz
innerhalb eines als Wärmeflußmesser wirkenden, eine Kühl- und eine Wärmequelle verbindenden
vorzugsweise metallischen Kondensatorrohres (Kalorimeterrohr) erzeugt. Die Kühlquelle
muß dabei so groß dimensioniert werden, daß ihre Temperatur unterhalb der Siedetemperatur
des unter Druck stehenden Kondensats bleibt.
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Des weiteren ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation
der im Kalorimeterrohr auftretenden zusätzlichen Wärmeflüsse und aller Wärmeverluste,
die unabhängig von dem Dampfdurchsatz auftreten, ein gleicher Kalorimeterkörper,
jedoch ohne auftretende Kompensation des Dampfstromes, in der gleichen Weise angeordnet
ist. DessenTemperatur wird in sonst identischer Weise gemessen und dient als Basis
für die Temperaturmessung in dem dampfdurchströmten Kalorimeterrohr.
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Statt die Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelpunkt des durchströmten
Kalorimeterrohres gegenüber beispielsweise dem Luftkühler zu messen und sie um die
Temperaturdifferenz zwischen dem nicht durchströmten Vergleichskalorimeterrohr gegenüber
dem gleichen Luftkühler zu vermindern, kann man vorteilhaft direkt die Temperaturdifferenz
zwischen identischen Stellen des durchströmten und des nicht durchströmten Kalorimeterrohres
messen, wenn ihre Kühl- und Wärmequellen identische Temperaturen aufweisen, was
mit Sicherheit dadurch erzwungen wird, daß beide durch einheitliche Metallkörper
möglichst großer Wärmeleitung und Kompaktheit dargestellt werden.
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Da der im Luftkühler als Kondensat vorliegende Teilstrom wieder in
den Hauptdampfstrom zurückgeleitet werden muß, zusätzlich entstehende Druckdifferenzen
infolge der Kondensation jedoch vermieden werden müssen, um die Proportionalität
von Teil- und Hauptdampfstrom, sicherzustellen, muß der Teilstrom, der innerhalb
des waagerecht angeordneten Kalorimeterrohres kondensiert, in einem zweiten Rohr,
das in der gleichen Ebene wie das erste Kalorimeterrohr angeordnet sein muß, wieder
verdampfen. Benutzt man dieses, das infolge der aufzuwendenden Verdampfungswärme
einen von der Teilstrommenge abhängigen veränderten Wärmefluß zwischen dem Dampfstutzen
und dem Luftkühler aufweist, als Vergleichskalorimeter, so verdoppelt sich die als
Maß der Teilstromgröße benutzte Temperaturdifferenz, während alle meßtechnischen
Vorteile der Benutzung eines nicht durchströmten Vergleichskalorimeters erhalten
bleiben.
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Nach Verdampfung in diesem zweiten Kalorimeterrohr kann der Teildampfstrom
durch den Heißdampfstutzen wieder mit dem Hauptdampfstrom vereinigt werden.
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Die Messung von Satt- oder Naßdampf nach diesem Verfahren setzt voraus,
daß die Temperatur des Kondensationskalorimeterrohres gegen die eines nicht durchströmten
Kalorimeterrohres gemessen wird. Denn zur vollständigen Verdampfung des Teilstromes
muß der zur Rückführung des Dampfes dienende das Verdampfungsrohr aufnehmende Dampfstutzen
gegenüber der Siedetemperatur überhitzt werden, weshalb dafür ein gesonderter und
besonders geheizter Dampfstutzen vorgesehen werden muß, wodurch die Benutzung des
Wiederverdampfungsrohres als Vergleichskalorimeter entfällt.
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Falls die Aufgabe vorliegt, in einem Naßdampf den Wassergehalt zu
bestimmen, mißt man gemäß der Erfindung einerseits die Menge des Dampfes in einem
Kondensationskalorimeter gegen ein nicht durchströmtes Vergleichskalorimeter und
ferner die gesamte Dampfstrommenge in, einem Wiederverdampfungskalorimeter gegen
ein zweites nicht durchströmtes Vergleichskalorimeter, dessen heißes Ende in dem
gleichen überhitzten Dampfstutzen endet, der das Wiederverdampfungskalorimeterrohr
aufnimmt. Die Differenz dieser beiden Messungen stellt daher die in dem Dampfstrom
ursprünglich vorhandene Wassermenge dar. Im Falle der Dampffeuchtebestimmung kann
die Überhitzung auch durch eine Entspannung des Dampfes durchgeführt werden, wodurch
die Temperatur des Eintrittsstutzens für den Naßdampf zur Überhitzung des entspannten
Dampfes ausreicht.
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Es läßt sich rechnerisch zeigen, daß in allen diesen Fällen die gemessene
Temperaturdifferenz in hoher Annäherung proportional dem Teilmengenstrom ist und
unabhängig von den Temperaturen des Dampfeintrittsstutzens und des. Luftkühlers.
Im Bild 1 ist der Dampfeintrittsstutzen I von der Temperatur T1 des überhitzten
Dampfes dargestellt. Das Kondensationskalorimeterrohr 2 verbindet ihn mit dem Luftkühler
3, in dem der Kondensationsstrnm um-
gelenkt uncl in dem Verfampfungskalorimeterrohr
4 wieder zu dem Heißdampfstutzen I zurückgeführt wird. Im Falle des L) ampfstromes
Null weisen heide Kalorimeterrohre einen gleichen linearen Temperaturabfall auf,
wenn Wärmeverluste nach außen durch ein den Heißdampfstutzen und den Luftküchler
verbindendes Rohr 5, welches die beiden Kalorimeterrollre 2 und 4 gemeinsam umschließt,
diese vor-Wärmeverlusten nach außen schützt. Im Falle des Vorhandenseins einer Dampfströmung
wird in dem Kondensationskalorimeterrohr der Punkt der Kondensation sich infolge
des Auftretens der Kondensationswärme nach rechts um die Länge a 11 (Bild 2) zu
dem Luftkühler hin verschieben. In dem Wiederverdampfunskalorimeter 4 bewirkt die
entonommene Verdampfungswärme eine Verschiebung cles Verdampfungspunktes um die
Länge a 12 nach links. Der Punkt der Kondensationstemperatur sei für den Fall der
Strömung Null von dem Heißdampfstutzen um die Länge 1I von dem Luftkühler um die
Länge 1.) entfernt.
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Der Wärmestrom durch jedes der Kalorimeter ist für den Fall cler
Strömung Null q0 = A L (T1-T2), wenn # die Wärmeleitfähigkeit des Materials, L die
I. änge, c der Querschnitt der Rohrwandung, T die Heißdampfstutzentemperatur und
T2 die des Luftkülllers ist. Bei Auftreten einer Kondensationswärme q des I) ampfstromes
an der Stelle des Rohres, an der die Kondensationstemperatur Tk herrscht, verändert
sicll der Wärmestrom im linken Ende des Rohres 2 in cA q1 = z + # l1 im rechten
Rohrende in q1' = l2 - # l1 seide Rohrenden, die als Wärmedurchgangsmeßgeräte aufzufassen
sind, unterscheiden sich in dem Wärmetransport um die Kondensationswärme q des Dampfes.
Diese führt zu einer Bestimmungsgleichung für die Verschiebung des Kondensationspunktes
längs des Rohres um die Länge a l1. Ganz allgemein, d. h. auch für den Fall der
Ungleichheit von l1 und l2 wird q l1 l2 # l1 = .
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(T1-T2) # c + q # (l1-l2) Für # l2. die Verschiebung des Verdampfungspunktes
im Wiederverdmapfungskalorimeterrohr, ergibt sich ganz entsprechend q 11 12 (T1
= T2) # # cq -l2) # Durch Addition der Reziprokwerte beider Ausdrücke gelingt es,
die lslammerausdrücke für die Differenzen der Längell 11 und 12 zu eliminieren,
und es ergibt sich als mittlere Verschiebung von Kondensations- und Verdampfullgspunkt
aus der Symmetrielage der Ausdruck
Darin bedeutet 8 den Unterschied von # l1 und # l2. Der zweite Bruch ist infolge
der Kleinheit von # gegen # l, insbesondere da es im Quadrat vorkommt, zu vernachlässigen.
Aus der letzten Gleichung folgt, daß die Längsverschiebung des Kondensations-oder
Verdampfungspunktes in den Kalorimeterrohren umgekehrt proportional der Temperaturdifferenz
zwischen dem Heißdampfstutzen und dem Luftkühler ist.
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Es läßt sich jedoch zeigen, daß die gemessene Temperaturdifferenz
t in den Mittelpunkten des Kalorimeterrohres (Bild 2), die infolge Verschiebung
des Kondensationspunktes und des Wiederverdampfungspunktes beim Auftreten der Kondensationswärme
q eintritt, von den Temperaturen des Heißdampfstutzens T1 und des Luftkühlers T2
nicht abhängt. Es ist t = a 11 zu tang x, worin tang α = -g Tk/l1 ist. Entsprechend
wird t', die im Verdampfungsrohr auftretende Temperaturdifferenz t' Tk=T2 = #l2
# tang ß, worin tang ß = ist. l2 + #l2 Nach Einsetzen dieser Werte ergibt sich für
die mittlere Temperaturdifferenz t unter Vernachlässi-#2 gung von gegen l q l1 l2
# c (l1 + l2) Die Temperaturen des Heißdampfstutzens und des Luftkühlers kommen
in diesem Ausdruck nicht mehr vor. Ist außerdem die Kondensationstemperatur Tk etwa
gleich der mittleren Temperatur von T1 und T2, so wird die gemessene Temperaturdiffeq
# l renz in erster Näherug t = . Mit der Un-2 # c abhämngigkeit dieser eigentlichen
Meßgröße von der Temperatur des Heißdampfstutzens und des Luftkühlers ist die Exaktheit
der Messung der Dampfmenge nach diesem kalorimetrischen Verfahren bewiesen worden.
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In Fällen des Vorliegens von Satt-und Naßdampf verän&ert sich
das Temperaturdiagramm für die Kalorimeterrohre entsprechend Bild 3. Die Beweisführung
der Unabhängigkeit der identisch gemessenen Temperaturdifferenz als Maß des Teilstromes
von der Temperatur des Luftkühlers ist jedoch dem obigen Beweise ähnlich und führt
zu dem gleichen Resultat. S 1 ist die Strecke des Kondensationskalorimeterrohres,
in der die Kondensationstemperatur Tk infolge der Kondensation des Dampfes aufrechterhalten
wird. An ihrem Endpunkt ist der gesamte Dampf kondensiert, und es beginnt daher
der durch die Wärmeleitung des Kalorimeterrohres eintretende Temperaturabfall zum
Luftkühler von der Temperatur T2. Die in der Entfernung I vom Luftkühler gemessene
Temperaturdifferenz t zwischen dem durchströmten Kalori-
meterfohr
und dem strömungslosen Vergleichsrohr errechnet sich zu L-l L-l-#l t = . (Tk - T2)
- . ( L L - #l l # #l t = . (Tk - T2) L # (l - #l) Die im rechten Teil des Kalorimeterrohres
fließende Wärme setzt sich zusammen aus der Kondensationswärme q und der im strömungslosen
Zustand durch # # c das Rohr fließenden Wärme (Tk - T2). . Sie L ist infolge der
Verkürzung des den Temperaturabfall aufweisenden Kalorimeterrohrendes # c # c q
+ (Tk - T2) # = (Tk - T2) -L L-#l l l q = (Tk - T2) # #c # ( - ) .
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L - #l L Unter Einsetzung der obigen Gleichung für t wird #c q#l q
= # t, oder t = . Da die neben q in der l #c Gleichung vorkommenden Größen nur solche
der Abmessung des Kalorimeterrohres enthalten, ist die derart bestimmte Temperaturdifferenz
t unabhängig von den beiden Temperaturen des Dampfstutzens und des Luftkühlers ein
eindeutiges Maß für die in dem Rohr # kondensierte Dampfmenge.
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Bei den bekannten. Teilstromdampfmessern bestand weiterhin die Schwierigkeit,
bei allen Strömungsbelastungen des Hauptdampfstromes einen konstanten Bruchteil
der Gesamtströmung für den Teilstrom abzuzweigen. Es ist dies dadurch zu erreichen,
daß ein Teilstrom abgezweigt wird, dem durch eine Meßblende oder Düse eine dem Hauptstrom
genau entsprechende Turbulenz aufgezwungen wird, so daß beide Strömungen in ihren
Meßblenden den gleichen Strömungsbeiwert α und daher eine gleiche etwaige
Abhängigkeit von der Strömungsbelastung aufweisen.
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Erfindungsgemäß gelingt dies dies dadurch, daß ein Teilstrom vom
Hauptstrom abgezweigt wird, der wesentlich größer als die Strömung ist, die in dem
Kalorimeter erfaßt werden kann ; denn so kleine L) ampfströmungen, die in Kalorimetern
gemessen werden können, könnten bei den üblichen Dampfdrucken nur von mikroskopisch
kleinen Meßblenden erzeugt werden. Meßblenden dieser geringen Größe sind jedoch
mit einer der Meßblende für denHauptstrom entsprechenden Strömungscharakteristikpraktisch
nicht herstellbar, shcon weil hierfür die Ähnlichkeit einer im gleichen Verhältnis
wie die beiden Blendendurcllmesser sich verhaltenden Rauhigkeit der Wände von Haupt-und
Teilstromblenden vorauszusetzen wäre. Eine derartig geringe Rauhigkeit ist für eine
mikroskopisch kleine Teilstromblende oder -düse praktisch nicht zu verwirklichen.
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Um den 50- bis 200fach größeren Teilstrom für die kalorimetrische
Messung ausnutzbar zu machen, wird seiner Meßblende oder Düse ein Strömungswiderstand
mit linearer Kennlinie der Druckdifferenz-Strömungs-Beziehung in Reihe geschaltet.
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Dieser Widerstand wird durch Anordnung von vielen parallelen Rohren
oder Blechen gebildet, deren Dimensionen quer zur Längsrichtung so klein gewählt
werden, daß die kritische Reynoldszahl bei der maximalen in Frage kommenden Strömung
nicht erreicht wird, sondern der laminare Strömunszustand aufrechterhalten wird.
Der Druckabfall an diesem, dem haagen-Poiseuilleschen Gesetz folgenden Strömungswiderstand
ist vergleichsweise sehr klein gegenüber dem der mit ihnen in Reihe geschalteten
Teilstromdüse oder-blende. Es ist daher das Teilungsverhältnis von Haupt-und Nebenstrom
nicht nennenswert lastabhängig.
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Legt man nun zu diesem Widerstand mit linearer Kennlinie für die
Teilströmung einen gleich gebauten, jedoch praktisch nur aus einem einzigen Rohr
bestehenden Strömungswiderstand in Reihe mit dem Kalorimeter, so wird der gesamte
Teilstrom nach Maßgabe der Querschnitte beider Teilstromwiderstände aufgeteilt.
Dadurch ergibt sich für jede Strömungsbelastung ein konstantes Verhältnis des im
Kalorimeter ausgenutzten kleinen Dampfstromes zu dem nicht gemessenen viel gröl-Beren
Anteil des gesamten laminar strömenden Nebenstromes. Dieses Verhältnis kann mit
Leichtigkeit den Zahlenwert 1:100 erreichen. Der im Kalorimeter gemessene Teilstrom
wird mit dem nicht gemessenen Teilstrom vereinigt w ieder dem Hauptdampfstrom zugeführt,
wie dies im Bild4 dargestellt ist. Darin bedeutet 5'den Hauptstrom mit der Hauptstromblende
6. Ferner stellt 7 die Leitung für den gesamten Teilstrom dar, in der die Teilstromblende
8 angeordnet ist. Der Teilstrom passiert den Strömungswiderstand 9, der die lineare
Strömungscharakteristik aufweist. Zu diesem Strömungswiderstand liegt ei gleich
gearteter Strömungswiderstand 10 parallel, in dessen Stromkreis die Kalorimeterrohre
2 und 4 und der Heißdampfstutzen I sowie der Luftkühler 3 eingeschaltet sind.
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Sämtliche Teilstromwiderstände mit Ausnahme des Kalorimeterrohres
werden zweckmäßig im Innern der Hauptdampfleitung angeordnet, vorzugsweise im Innern
eines durch die Flansche der Hauptstromblende gebildeten Hohlraumes, wie im Bild
5 dargestellt. Es bedeuten darin I I und I 2 die Flansche, die die Hauptmeßhlende
6 tragen. In ihren Ausdrehungen 14 und 15 befinden sich kreisförmige Bleche, die
den Strömungswiderstand mit geradliniger Kennlinie bilden. Der nebenstrom wird durch
die Düse 8 und die Offnungen I 7 und I 8 gezwungen, die Strömungswiderstände 14
und 15 Kreisform zu durchfließen. In den Hohlräumen 14 und 15 ist auch der dem Kalorimeter
vorgeschaltete Strömungswiderstand in Form zweier halbringförmiger Rohre 10 und
10' untergebracht. Die den gesamten Teilstrom dimensionierende Teilstromblende 8
wird vorzugsweise vor Eintritt des Teilstromes in die Strömungswiderstände 14 und
I5 geschaltet. Die Kalorimeterrohre außerhalb des Flansches sind mit 2, 2', 4 und
4'angedeutet.
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Durch diese Konstruktion erreicht man, daß sämtliche Strömungswiderstände
die Dampfströmungen nicht nur bei I) ruckgleichheit, sondern
aucll
ullter der Bedingung der Temperaturgleichheit bemessen, Spur im Kalorimeterrohr
ist diese Bedingung naturgemäß nicht zu verwirklichen. Es wird daher so climensioniert,
daß es gegenüber dem vorgeschalteten Nebenstromwiderstand einen möglichst vernachlässigbar
kleinen L) ruckabfall erzeugt.
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I) ie in der Teilstromdüse 8 bei kleiner Belastung, cles Dampfmessers
notwendig auftretende geringe Reynoldszahl ermöglicht nur unter besonderen Umständen
das Auftreten eines Turbulenzgrades der Strömung, der dem der I lauptströmung in
der Hauptstromblende genau entspricht Erfindungsgemäß verwendet man dafür als Düse
oder Drossel im Teilstrom eine Blende mit Einlaufschrägung, die in bekannter Ausührung
für das I inschnürungsverhältnis m = 0. 16 in einem Gebiet der Reynoldszahl zwischen
1150 und 100 000 einen konstanten Strömungsbeiwert liefert, In einem Gebiet der
Dampflbelastung, in welchem die Hauptmeßblende eine11 konstanten Strömungsbeiwert
liefert, ist demnacll auch das Teilungsverhältnis zwischen Hauptulld Teilstrom unal)
hängig von der Belastung. Bei Anl) assung cles Gerätes an l) estimmte iitrömungsbelastungen
ist es daher notwendig, sowohl die Teilstromdüse als auch den Leitungsquerschnitt
vor und hillter dieser Düse gemeinsam zu verändern, damit das I inschnürungsverhältnis
von O. I6 oder ein ähnlicher Wert aufrechterllalten bleibt.
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Es sind auch die bekannten Zylinderdüsen für die Teilstromdrossel
in lSereichen der Strömung im VerhältlìiS 1 : 30 bis 1 : 100 mit konstantem Strömungsbeiwert
herstellbar, und zwar bis herab zu Reynoldszahlen von 300 bis 600. Aber auch die
deutsche Normendüse genügt den gestellten Bedingeungen hinsichtilich der Konstanz
ihres Strömungsbeiwertes, wenn sie einheitlich mit einem Einschnürungsverhältnis
von m = 0.55 angewendet wird, da sie hei diesem ausgezeichneten Einschnürungsverhältnis
bis heran, zu Reynoldszahlen von 104 einen konstanten Strömungsl) eiwert aufweist.
Dies erklärt sicll daraus, daß benachbarte Einschnürungsverhältnisse bei kleiner
werdender Reynoldszahl einerseits einen positiven, andererseits einetl negativen
Gang des Strömungsbeiwertes aufweisen, je nachdem ob das Einschnürungsverhältnis
gegenüber o. ss vergrößert oder verkleinert wird. Daher ergibt sich für das genannte
Einschnürungsverhältnis ein außergewöhnlich großes (lehiet der Konstanz des Strömungsbeiwertes.
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Zur Aupassung der gewünschten Strömungsaufteilung im Haupt-und Teilstrom
variiert man daher bei Konstanthaltun von m = 0.55 sowohl den Düsen- als auch den
Teilstrom-Rohrdurchmesser in der Nachbarschaft der Düse im gleichen Maßstabe.
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Ein gewisser Nachteil der Anordnung eines den Kalorimeternebenstromkreis
beherrschenden Teilstomwiderstandes mit lillearer Charakteristik ist, daß sein Druckabfall
verhältnismäßig gering gegenüber dem an cler Hauptstromblende auftretenden ist.
Es muß daher dafür gesorgt werden, daß keine zusätzlichen Druckdifferenzen in dem
Kalorimeter auftreten die die dort llerrschende Strömung beeinflussen un (l daher
clas vorgesehene Teilungsverhältais der Ströme verändern würden. Dies wird dadurch
sichergestellt, daß der Teil des Kalorimeters, in dem das Medium als Kondensat vorliegt,
völlig waagerecht angeordnet wird, so daß keine Höhenunterschiede an den beiden
Menisken des kondensierenden und wieder verdampfenden Wassers auftreten können.
Diese Forderung wird dadurch verwirklicllt, daß die beiden Kalorimeterrohre, in
denen die Kondensation und Wiederverdampfung eintritt, waagerecht und in der gleichen
Ebene angeordnet werden, wie im Bild I angedeutet ist. Um diese Lage stets verwirklichen
zu können, unabhängig davon, ob der das Kalorimeter tragende Hauptleitungsflansch
je nach der Lage des Hauptdampfrohres waagerecht, schräg oder senkrecht angeordnet
werden muß, ordnet man eine verdrehbare Kuppelung zwischen dem Heißdampfstutzen
und dem Kalorimeter an. Ihre Wirkungsweise ist im lAil (l 5 und Bild 6 dargestellt.
Im Bild 5 liegen die beiden den Kalorimeterteilstrom führenden Leitunen lo und 10'
im Hauptmeßflansch senkrecht übereinander. die zentral gelegene Leitung 10 setzt
sich in dem verdrehbaren Kalorimeter ohne Richtungsänderung fort. Die zweite Leitung
10' mündet in einer ringförmigen Nut 24, auf die die Leitung 25 des Kalorimeters
in der Flanschebene stößt, und zwar unabhängig von dem Drehwinkel zw ischen dem
waagerecht angeordneten Kalorimeter und dem beliebig geneigten Hauptmeßflansch.
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I) a jedoch die waagerechte Lage der Kalorimeterrohre im praktischen
Betriebe nur mit einer gewissen Genauigkeit zu verwirklichen ist, die infolge von
Veränderungen der Fundamente im Laufe der Zeit unter Umständen noch vermindert wird,
empfiehlt es sicll, die Kalorimeterrohre für Kondensation und Wiederverdampfung
in jeder Meßeinrichtung zu verdoppeln, derart, daß zwei völlig identische und genau
parallele Wege für den im Kalorimeter strömenden Dampf oder sein Kondensat angeordnet
werden, deren Strömungsrichtungen jedoch genau entgegengesetzt verlaufen. Wie im
Bild 5 durch die vier Richtungspfeile an den Kalorimeterrohren 2, 2', 4 und 4' angedeutet
worden ist, läßt sich durch die zweiseitige Ausbildung des Gerätes die Lageunabhängigkeit
ohne Schwierigkeiten erreichen.
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Weist die eine Seite infolge eines restlichen Schiefhanges einen kleinen
Meniskusunterschied des Kondensats an den Stellen der Kondensation und der Verdampfung
auf, der die Dampfströmung im Kalorimeter verringert, so weist infolge der gleichen
Abweichung von der waagerechten Lage die andere Hälfte genau die gleiche, jedoch
mit anderem Vorzeichen wirkende, d. h. vergrößernde Wirkung auf die dort sich einstellende
Dampfströmung auf. Mißt man die Summe der in beiden Kalorimeterhälften sich ergebenden
Temperaturdifferenzen in der ausgeführten Weise, so ist die dadurch ermittelte Dampfmenge
unabhängig von geringen Schrägstellungen des Kalorimeters.
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Die bei Kondensation in dem Kalorimeter abgegebene oder in ihm bei
Wiederverdampfung aufgenommene Wärmemenge ist proportional der Teildampfmenge und
einer Summe, die aus der Ver-
dampfungswärme einerseits und der
spezifischen Wärme des Wassers und des Dampfes, multipliziert mit den wirksamen
Temperaturdifferenzen anderseits gebildet ist. In dieser Summe stellt die Verdampfungswärme
des Wassers mit etwa 5ookcal/kg den Hauptanteil dar. Wenn die Temperaturen von den
die Kalorimeterrohre begrenzenden Kühl- und Heizkörpern nicht allzu starken Schwankungen
ausgesetzt sind, kann man daher die im Kalorimeter gemessene Wärmemenge der Teildampfmenge
proportional setzen. Bild 7 zeigt das i-T-Diagramm des Wassers und Wasserdampfes.
Soll die Genauigkeit des Dampfmengenmessers besonders hoch sein, so müssen der Kühl-
und der Heizkörper des Kalorimeters selbsttätig auf konstanter Temperatur gehalten
werden. Eine besonders einfache Form der Temperaturregelung beruht darauf, einen
Hohlraum derartig einseitig an die Dampfleitung anzuschließen, daß Dampf nur nach
Maßgabe der an seinen Wänden stattfindenden Kondensation nachströmen kann.
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Zu diesem Zwecke wird der Hohlkörper unten oder seitlich mit einer
Dampfzu- und einer Kondensat-Ableitung verbunden. An seiner dem Dampfeintritt abgewendeten
Oberfläche stellt sich weitgehend unabhängig von der Außentemperatur genau die Temperatur
des kondensierenden Dampfes ein. Wird der Kühlkörper 27 des Kalorimeters in Bild
5 in etwa gleicher Weise ausgebildet, mit dem Unterschied, daß in seinem Innern
unter Atmosphärendruck nach Maßgabe der durch das Kalorimeterrohr zugeführten Wärme
Wasser siedet, so wird an dieser Stelle genau I00° C aufrechterhalten. Die Funktion
des Kalorimeterkühlers wird dadurch gewährleistet, daß ein offenes Rückflußkühlrohr
diesen Hohlraum mit der Atmosphäre verbindet. Der Wärmeinhalt des gesättigten Dampfes,
der in diesem Falle auf I00° C als Basis der Dampfmengenmessung zugrunde gelegt
wird, ist weitgehend unabhängig vom Dampfdruck, d. h. der Temperatur des Sattdampfes.
Zwischen lo und 60 Atm. entsprechend I80 bis 2800 C beträgt die Veränderung des
Wärmeinhaltes nur 0,250/0 Mit der Regelung der Kalorimeterheiz- bzw. Kühlkörper
ist daher nicht nur eine völlige Temperaturunabhängigkeit der kalorimetrischen Dampfmengenmessung,
sondern auch ihre praktisch völlige Dampfdruckunabhängigkeit gewährleistet.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, bei variabler Heißdampf- und
Kühlkörpertemperatur die Dampfmengenmessung unabhängig von den Änderungen dieserTemperaturen
dadurch zu machen, daß für den Dampfmengenanzeiger ein elektrisches Ouotientengerät
verwendet wird, dessen ablenkende Spule einen Thermoelementstrom erhält, der den
Wärmemengen des kondensierten und wieder verdampften Kondensats entspricht, dadurch,
daß die Temperaturdifferenz zwischen zwei geometrisch identischen Punkten des Kondensations-
und des Verdampfungskalorimeterrohres gemessen wird.
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Das Richtmoment dieses Quotientenmeßgerätes wird einerseits durch
eine mechanische Feder dargestellt, die der Verdampfungswärme entspricht, während
die Überhitzung des Dampfes und die durch die Kühlung im Luftkühler bedingte Vergrößerung
des Wärmeinhaltes des Kondensates durch zusätzliche Thermoströme kompensiert werden,
die in der Richtspule des Quotientenmessers eine entsprechende Vergrößerung des
Richtmomentes bewirken. Auch die Abhängigkeit der Verdampfungswärme vom Druck des
Dampfes kann durch ein weiteres Thermoelement kompensiert werden, dessen eine Lötstelle
der Sattdampftemperatur, und dessen zweite Lötstelle irgendeiner konstanten Temperatur
ausgesetzt wird. Die spezifischen Wärmen des überhitzten Dampfes und des unter Siedetemperatur
gekühlten Kondensats können weitgehend genau als unabhängig von der Temperatur als
konstant angesehen werden. Ihre verschiedene Größe wird durch entsprechende Dimensionierung
von Widerständen in den betreffenden Thermoelementstromkreisen berücksichtigt. Das
gleiche gilt für die Temperaturabhängigkeit der Verdampfungswärme, deren Kompensation
auf dem obengenannten Wege erfolgen kann.
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Im Falle der Bestimmung der Dampffeuchtigkeit ist naturgemäß eine
Aufspaltung des Prüfstromes in einen Haupt-und einen Teilstrom nicht nötig.
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Die Widerstände in der Leitung zum Kalorimeter werden derart dimensioniert,
daß sich eine Strömung von etwa 0,2 kg/h einstellt. Die Differenz der gemessenen
Temperaturdifferenzen im Kondensations- und im Verdampfungskalorimeter ist bei geregelter
Kondensatortemperatur eine eindeutige Funktion der im Dampfstrom vorhanden gewesenen
Wassermenge. Die Dampffeuchtigkeit erhält man daraus als Quotienten dieses Wertes
mit der im Kondensationskalorimeter gemessenen Temperaturdifferenz. Es ist dieser
Wert ein Maß für die gesamte Dampfmenge, in der die gemessene Kondensatmenge enthalten
war. Auch diese Messung läßt sich mit bekannten elektrischen Quotientenmessern durchführen.
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Eine bevorzugte Anwendung findet die kalorimetrische Teilstromdampfmengenmessung
in Fällen von stoßweise oder oszillierend fließenden Dampfströmen. In diesen Fällen
versagt bekanntlich die übliche Druckdifferenzmessung völlig, da die gemessenen
Differenzdrucke dem Quadrat der jeweils fließenden Menge proportional sind. Verleiht
man daher dem Meßgerät eine Trägheit, um einen Mittelwert der Dampfströmung damit
zu erfassen, so mittelt das Gerät das Quadrat der differentiellen Strömungswerte.
Es ergibt daher Fehlmessungen, die mit steigender Amplitude der Oszillation der
Dampfströmung steil anwachsen. Die bekannte Eigenschaft der Teilstrommesser, beliebig
stark oszillierende Dampfströmungen fehlerfrei messen zu können, kann man gemäß
der Erfindung benutzen, um mit absatzweise arbeitenden Fallbügelschreibern eine
geschlossene und im Integralwert fehlerfreie Dampfmengenkurve auch bei zeitlich
stark schwankendem Dampfstrom zu erhalten. Es ist nur nötig, die Trägheit der Kalorimeter
derart absichtlich zu vergrößern, daß die Zeitkonstante ihrer Einstellgeschwindigkeit
mindestens kommensurabel mit den in der Dampfanlage auftretenden Zeiten für die
Dampfmengenschwankungen wird. Auf diese Weise
werden diese differentiellen
Änderungen der Meßgröße auf dem Diagramm unterdrückt, ohne daß dabei der Integralwert
gefälscht wird. Es ist auf diese Weise möglich, in Dampfkraftanlagen die Dampfmenge
auf Niehrfarbenschreibern zusammen mit anderen wärmetechnisch wichtigen Nießwerten
zu übersichtlichen und trotzdem für den Integralwert richtigen Kurven aufzuzeichnen.
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Die Zählung der Dampfmenge erfolgt von dem Anzeiger des Ntomentanwertes
aus mit bekannten Integrationseinrichtungen. Beispielsweise wird der den Ätomentanwert
der Dampfmenge anzeigende Meßgerätzeiger in konstanten Zeitabständen mittels eines
Uhrwerks oder Synchronmotors von einem Schrägfallbügel abgetastet, derart, daß der
ilub des schrägen Fallbügels nach Maßgabe des Ausschlages des Mengenanzeigers begrenzt
wird. Durch richtige ISemessung der Schrägung des Fallbügels können alle etwa vorhandenen
Abweicllullgen von der Proportionalität zwischen Mengenstrom und Ausschlag des Zeigers
eliminiert werden. Auf diese Weise kann strenge Proportionalität zwischen Mengenstrom
und Hubgröße des Fallbügels erreicht werden. Die Hubgröße wird mit einem einseitig
gehemmten Klinkenrad auf ein mechanisches Zählwerk übertragen, wodurch der zeitliche
Integralwert des Mellgenstromes bestimmt wird.