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Psychrometrischer Fühler
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Die modernen industriellen Klima- und Hochleistungstrockenanlagen jedoch, z. B. in Papiertrocknungsmaschinen, wo die Trockenfühlertemperaturen bis an + 3000C heranreichen, die Luftgeschwindigkeiten über 15 m/sec betragen und statische Drücke bis über 300 mm WS üblich sind, sowie starke mechanische Schwingungen bzw. Erschütterungen auftreten, schliessen die Verwendung von Tonrohr-Feuchte- fühlern aus. Der Hauptgrund ist die Transmissionsträgheit des Materials im Verein mit der sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit des Wassers selbst, welches sich zwischen Tonrohrwand und Fühlerelement befindet. Die Wärmeleitzahl des Tons (Schamotte) beträgt A = 0, 00361 cal/cm. sec. Grad und die des
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Obwohl die elektronischen bzw. elektronisch-pneumatischen Temperaturregelgeräte auf einen Höchststand an Empfindlichkeit und Schaltgeschwindigkeit gebracht werden konnten, sind die Feuchte- fühler für Taupunktmessungen in der Entwicklung praktisch beim feuchten"Strumpf bzw. beim Tonrohr stehen geblieben, da sich die bisher bekannten Metallfühler aus Kupfer nicht durchsetzen konnten. Das Kupfer oxydiert in bestimmten Gasmedien im Verein mit der Feuchtigkeit bzw. mit dem verwendeten Wasser und bildet auf der Rohroberfläche eine die äusseren Poren verengende bzw. verstopfende Oxydschicht, was sowohl den Wasserdurchgang verringert bzw. sperrt als auch den Wärmeübergang verschlech- tert.
Durch das verwendete Material und die allgemeine Bauart der bisherigen Feuchtefühler konnten daher Temperaturschwankungen über eine bestimmte Häufigkeit hinaus nur verzögert bzw. überhaupt nicht übertragen werden, so dass das Regelsystem nicht in der Lage war, die Schwankungen auszugleichen.
Der erfindungsgemässe Vorschlag geht nun dahin, dass die jeweiligen Befeuchtungskörper, z. B. Rohre, Prismen, Halbkugeln, Scheiben u. ähnl. aus feinporigem gesintertem Silber hergestellt werden, da dieses Material gegenüber anderem die besten thermischen und physikalischen Eigenschaften besitzt. Durch entsprechende Wahl der Korngrössen für das Sintern kann eine Porenfeinheit erreicht werden, die dem Silber die für die Befeuchtung gewünschte Kapillarwirkung verleiht und es für den ihm zugedachten Zweck geeignet macht.
Da dieVerdunstungen bzw. die Verdunstungsgeschwindigkeit am Befeuchtungskörper von den 4 Faktoren des gasförmigen Mediums, u. zw. Geschwindigkeit, statischer Druck, Temperatur und Feuchtegehalt abhängig ist, müssen diebefeuchtungskörper unter Berücksichtigung dieser Faktoren hergestellt sein, d. h. dass die Porengrössen und Wandstärken entsprechend diesen Faktoren zu wählen sind.
Erfindungsgemäss eignen sich Porengrössen von 0, 2 bis 4 iL für Befeuchtungskörper, wobei Poren von
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120 mm WS verwendbar sind. Befeuchtungskörper mit Porengrössen zwischen 1, 5 und 4 bis 5 J1. können für Trockenkugeltemperaturen bis 2500C verwendet werden, wobei der statische Wasserdruck im Fühler bis zu 1000 mm WS betragen kann, je nach auftretendem statischem Gasgegendruck. Der statische Wasserdruck im Befeuchtungskörper soll stets etwa 50 mm WS höher als der Gasgegendruck sein, um Gasund Wasserdruckschwankungen auszugleichen und den Wasseraustritt aus den Poren, d. h. die ausreichen- de Benetzung des Befeuchtungskörpers unter allen Umständen zu gewährleisten. Durch eine entsprechende Regelung des Wasserdruckes kann dies leicht erreicht werden.
Dabei spielt auch die Wandstärke dieser Körper eine Rolle sowie die Stärke des Wassermantels, um zusammen eine möglichst geringe Wärmekapazität zu ergeben. Da das Sintern so dünnwandiger Rohre Schwierigkeiten macht, werden die Rohre nach dem Sintern auf die erforderliche Wandstärke abgedreht, bzw. gebohrt oder gefräst, so dass Wandstärken von 1 mm und darunter hergestellt werden können. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, die Stärke des Wassermantels z. B. zwischen Temperaturfühler und Rohrinnenwand auf 0, 25 mm, mindestens aber auf 1 bis 2 mm zu reduzieren, wodurch die Wärmekapazität auf 1/3 bis 1/4 der ursprünglichen herabgesetzt wird, was schon an sich eine um 3-bis 4 mal schnellere Ansprechzeit von der Wasserseite her ergibt.
Da der Porenanteil des Rohres etwa 33% seines Materialvolumens ausmacht, ist nicht nur das aufzuwärmende Metallgewicht um 1/3 geringer gegenüber Vollmetall, sondern die Poren sind mit Wasser gefüllt, so dass es in feinster Verteilung vom Metall umschlossen ist und der Wärmeübergang und Durchgang über relativ grosse Flächen mit Wasserstärken im Mikronbereich (0, 2 bis 5 J1.) erfolgt und daher jede Temperaturänderung schnell weitergeleitet wird. Da Sintermetall eine unvergleichbar höhere Festigkeit als Ton besitzt, ist ein Befeuchtungskörper aus Silber gegen Schlag, Stoss, Erschütterungen usw. auch entsprechend widerstandsfähiger.
Aus Gründen einer bestmöglichen thermischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, bei rela- tiv niedrigem Preis für einen hochwertigen Befeuchtungskörper, zumal dieser für besondere Zwecke auch
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miniaturisiert werden kann, z. B. auf 10 mm Länge bei etwa 4 mm Durchmesser, wurde erfindungsgemäss Silber als Material vorgeschlagen. Seine spezifische Wärme beträgt c = 0, 057 cal/g. Grad und seine Wärmeleitzahl X = 1, 01 cal/cm.. sec. Grad. Die spezifische Wärme des Tonrohres verhält sich zu der des Silbers wie 0, 220 : 0, 057 = 4, 03 : 1, d. h., dass das Silber nur 1/4 der Wärmemenge des Tonrohres braucht, um sich um 1 C aufzuwärmen, was gleichbedeutend mit einer 4 mal schnelleren Aufwärmung gegenüber Ton ist.
Da die Wärmeleitzahl des Silbers X = 1, 01 cal/cm. sec. Grad beträgt, ist das Leitfähigkeitsverhältnis zum Ton 1, 01 : 0, 00361 = 279 : 1. Dies bedeutet, dass Silber die Temperaturänderungen 279 mal schneller weiterleitet als gebrannter Ton, was sich auch in einer wesentlich schnelleren Reaktion am Temperaturfühler auswirkt.
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terial, dessen spezifische Wärme c = 0, 105 cal/g.Mit diesen Zahlen ist eindeutig erwiesen, dass Silber das für einen psychrometrischen Befeuchtungskörper bestgeeignete Material ist.
Die Ansprechgeschwindigkeit des Feuchtefühlers kann jedoch noch weiter gesteigert werden, wenn der poröse Silbermantel erfindungsgemäss mit dem Temperaturfuhlerelement direkten metallischen Kontakt hat, z. B. über im Rohr angebrachte Rippen, und so der Wärmefluss jeder Temperaturänderung, ohne von einer bremsenden Wasserschicht verzögert zu werden, sofort an den Temperaturfühler weitergeleitet wird.
Da sich Wasser in den Poren des Metalls befindet und durch Kapillarwirkung die Aussenfläche des Befeuchtungskörpers benetzt wird, wobei durch das über diese Fläche streichende gasförmige Medium eine Verdunstungskälte hervorgerufen wird, also eine Temperaturänderung, und sich diese Temperaturänderung im Silber mit einer Wärmeflussgeschwindigkeit von X = 1, 01 cal/cm. sec. Grad fortpflanzt, ist dies gegenüber Ton mit einem X = 0, 00361 cal/cm. sec. Grad bzw. des Wassers mit X = 0, 00153 cal/cm. sec. Grad für l C Aufwärmung, also im Verhältnis L = 101000 : 361 : 153, ein unverhältnismässig grosser Zeitgewinn.
Da durch die stetige Verdunstung an der Rohraussenfläche das Wasser durch die Kapillarwirkung immer in innigem Kontakt mit dem Rohrmaterial steht, u. zw. in feinster Verteilung mit Teilchengrössen von etwa 0, 2 bis 5 u ein Wärmeaustausch stattfindet, ist eine thermisch und physikalisch einwandfreie Feuchtefühler-Temperaturmessung mit geringstmöglicher Transmissionsverzögerung gewährleistet.
Als Fühlerelemente dienen sowohl alle üblichen Temperaturfühler, wie Widerstandsthermometer, Thermoelemente, Bimetallfühler, Gasausdehnungsfühler u. ähnl. Erfindungsgemäss werden nun hoch-
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Eigenwiderstandes des Fühlers eingehen kann und daher Leitungslängen von mehreren 100 m ermöglichen. Die Germanium-bzw. NTC-Messelemente z. B. können als rapid ansprechende Temperaturfühler mit einem Durchmesser von beispielsweise 0, 2 bis 2, 0 mm und elektrisch flüssigkeitsisoliert, z.
B. in ein dünnes G las- oder Silberröhrchen eingeschmolzen, direkt in dem Wasserraum von entsprechend klein dimensionierten, porösen Befeuchtungskörpem, sogenannte Miniaturfühler, eingesetzt werden, wobei der Wassermantel etwa 0, 2 bis 0, 5 mm stark ist, wodurch der Fühler auf eine geringe Wärmekapazität gebracht wird.
Da die Sintertechnik fast beliebige Formen zu pressen und zu bearbeiten erlaubt, können Feuchtefühlerrohre bzw. Körper beliebiger innerer und äusserer Form hergestellt werden, so dass diese dem jeweiligen Verwendungzweck und Ort angepasst werden können. Bei Gasgeschwindigkeiten um 6 bis 12 m/sec und darüber werden die Fühlerrohre bzw. Körper mit einem gelochten Schutzrohr bzw. Siebblech umgeben, welches die Gasgeschwindigkeit am Befeuchtungskörper auf etwa 5 bis 6 m/sec reduziert.
Da Feuchtemessungen bzw. Regelungen nicht an zylindrische Befeuchtungsrohre gebunden sind, son-
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dem die Befeuchtungskörper beliebige, dem Messort angepasste Formen haben können, zumal wenn sie nicht in den Messort hineinragen dürfen, sind die Befeuchtungskörper als ein Teil der Messwand z. B. einer Rohrwand, durch welche das gasförmige Medium strömt, ausgebildet. Dabei werden die nicht dem Gasstrom ausgesetzten Flächen gegen die Messortwand mit temperaturbeständigem, wärmedämmendem Material, z. B. mit einem Überzug aus Polytetrafluoräthylen (Teflon), isoliert.
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lerkörper mit unterbrochenen Rippen.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Feuchtefühler besteht beispielsweise aus einem porösen, an einem Ende geschlossenen zylindrischen Befeuchtungsrohr-l-aus Silber und dem Temperaturfühlerelement --2--, das konzentrisch im Rohr liegt und von einem Wassermantel--3--umgeben ist. Das Wasser steht dabei unter einem statischen Druck von etwa 20 bis 50 mm WS über dem aussen auf das Rohr-l-wirkenden Gesamt-Gasdruck (Gegendruck). Durch den Wasserdruck wird das Wasser durch die Poren gepresst und benetzt die Rohraussenfläche, an welcher dann durch das darüber hinwegstrei- chende gasförmige Medium, z. B. Heissluft, eine Wasserverdunstung und damit eine Abkühlung (Ver- dunstungskälte) eintritt.
Das Silberrohr-l-nimmt Umgebungswärme auf, die das in den Poren des
Rohres und das darunter, im Rohrinnern befindliche Wasser erwärmt und auf eine bestimmte Tempera- tur bringt. Diese Temperatur sinkt durch die an der Rohraussenfläche auftretende Verdunstungskälte auf einen bestimmtem Wert ab, also auf die Nassfühlertemperatur, die durch das Metall an den Wassermantel-3-- weitergeleitet wird und auf den Temperaturfühler --2-- trifft. Die Wandung des porösen
Silberrohres ist, je nach Verwendungsart, zwischen etwa 0,5 bis 1, 5 mm stark, um zusammen mit dem Wassermantel--3--, dessen Stärke etwa 0, 25 bis 2 mm betragen kann, eine möglichst geringe Wärmekapazität zu bilden.
Eine Rohrwandstärke von z.. B. 0, 5 mm und ein Wassermantel von 0,5 mm, zusammen also 1 mm, die um einen Temperaturfühler von z. B. 3 mm Durchmesser angeordnet sind, ergäbe einen Gesamtdurchmesser von nur 5 mm. Auf 1 cmz der Aussenfläche gerechnet ergäbe das ein Rohr-
Wasser-Volumen von 0, 1 cur', wovon das Wasser 0, 05+ (33% von 0, 05) einnimmt, also gleich 0, 05 + 0,016 cm3 = 0,0665cm3. Dies ergibt einen Wärmebedarf von Qw = 0, 0665 X 1 : = 0, 0665 cal für das Wasser, und 0, 0335 cm3 = Qs = 0, 0335 X 10,4 x 0, 057 = 0, 0199 cal für das Silber. Das RohrWasser-Volumen benötigt also eine Wärmemenge von Qges = 0, 0864 cal für 10C Temperaturdifferenz.
Gegenüber dem konventionellen Rohr aus Ton mit mindestens 3 mm Wandstärke und 7 mm Wassermantel und einem Wärmebedarf von Qtw = 0, 879 cal, ergibt dies einen um 0, 879 : 0, 0864 = 10, 22 mal geringeren Wärmebedarf bzw. um eine um 10 mal schnellere Reaktionszeit für die erfindungsgemässe Ausführung. Diese Tatsache würde somit jedes Taupunkt- bzw. Feuchteregelgerät um 1000% reaktionsfähiger machen.
Als Temperaturfühler können alle gebräuchlichen Widerstandsthermometer, Bimetallfühler, Zeigerthermometer usw., verwendet werden, insbesondere isolierte Halbleiterelemente.
Der in Fig. 2 schematisch im Querschnitt dargestellte Feuchtefühler besitzt im Innern des Befeuchtungskörpers --1-- einem Wasserzuleitungskanal --4--, der sich über die ganze innere Länge des Befeuchtungskörpers erstreckt. Bei Feuchtefühlern mit relativ dünnem Wassermantel --3--, z. B. von 0, 25 bis 1, 5 mm, bei Verwendung in gasförmigen Medien hoher Temperatur bzw. hoher Strömungsgeschwindigkeit (5 bis 6 m/sec) ist für eine genügende Wasserzufuhr zu sorgen. Durch den Längskanal --4--, dessen Breite und Tiefe auf die Verdunstungsmenge abgestimmt ist, wird Wasser unter Druck zugeführt, welches sich dann nach beiden Seiten des Kanals in dem Ringspalt verteilt. Der Wasserzuführungskanal ist nicht auf rohrförmige Befeuchtungskörper beschränkt, sondern kann in beliebig geformten Befeuchtungskörpern vorgesehen werden.
Der in Fig. 3 schematisch im Schnitt dargestellte Feuchtefühler besteht beispielsweise aus einem porösen zylindrischen Befeuchtungskörper-l-, welcher innen mit 3 Stegen bzw. Rippen --5-- versehen ist, die mit geringem Spiel, etwa 0, 05 bis 0, 08 mm, bzw. mit Schiebesitzpassung auf dem zentrisch im Körper --1-- liegenden Temperaturfühler --2-- aufliegen. Dadurch wird eine metallische Berührung des Temperaturfühlers mit den Stegen --5-- ermöglicht. Das in den Stegzwischenräumen - unter Druck stehende Wasser füllt das Rohr und die Poren vollständig aus und benetzt die Rohraussenfläche.
Die Temperaturänderungen werden sowohl durch die Stege --5-- als auch durch das Was- ser-3-auf den Temperaturfühler --2- übertragen, wodurch eine schnellere Temperaturübertragung stattfindet als durch den Wassermantel allein. Die Anzahl der Stege ist nicht an die drei dargestellten
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gebunden. Es können auch beispielsweise zwei breite sich gegenüberliegende Stege, oder vier und mehr
Stege vorgesehen werden. Der Zweck ist, dass eine gute und schnelle metallische Wärmeleitung zum Temperaturfühler-2-- gewährleistet ist.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einem mit Stegen --5-- versehenen Befeuchtungskörper --1-- dar- gestellt. Die Stege --5-- liegen auf dem Temperaturfühler --2-- auf. Damit der Fühler --2-- von allen Seiten gleichzeitig und gleichmässig vom Wasser umgeben wird, sind die Stege --5-- stellenwei- se zwecks Wasserübertrittes unterbrochen.
Die in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellten Feuchtefühler stellen Ausführungsbeispiele dar.
Die Form des Befeuchtungskörpers-l-kann eine beliebige, dem Messort jeweils angepasste sein, wobei die Temperaturfühler jeweils in die vom Gas bestrichene Wand des Befeuchtungskörpers eingelegt und die Wasserzufuhr entsprechend sichergestellt ist.
Sowohl die Befeuchtungskörper-l-als auch die Temperaturfühler sind austauschbar, so dass sie zwecks Reinigung, Reparatur oder aus anderen Gründen auseinandergenommen werden können.
Da Form und Länge des erfindungsgemässen psychrometrischen Feuchtefühlers den jeweiligen Messortgegebenheitenangepassthergestellt und in beliebiger Lage eingebaut werden kann, ist der TaupunktMesstechnik ein neues, wirksames Messelement in der Hand gegeben, das den Anwendungsbereich von Taupunktmess-und-regelungen beträchtlich erweitert und die Ansprech- und Regelgeschwindigkeit für moderne Geräte um einige 1000/0 erhöht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Psychrometrischer Fühler, mit einem porösen, an einem Ende geschlossenen rohrförmigen Befeuchtungskörper aus gesintertem Metall, welcher einen Temperaturfühler umgibt und innen mit Wasser beschickt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dünnwandige, in an sich bekannter Weise feinporige und beliebig geformte, beispielsweise rohrförmige Sinterkörper (1) (Befeuchtungskörper) aus Silber besteht, eine Wandstärke von etwa 0,5 bis 1, 5 mm und eine Porenweite von 0, 2 bis 4 Jl besitzt, wobei die Stärke des den Temperaturfühler (2) umgebenden Wassermantels (3) zwischen Temperaturfühler und Befeuchtungskörper-Innenwand etwa 0, 25 bis 2 mm beträgt (Fig. 1, 2,3).