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Verfahren und Anordnung zur Uberwachung des Betriebes einer Feuerungsanlage
Das Hauptpatent 812 336 hat ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung des
Betriebes einer Feuerungsanlage zum Gegenstand, wobei wenigstens eines der an der
Verbrennung beteiligten Medien (Brennstoff und Luft) in Abhängigkeit vom Luftüberschuß
geregelt wird. Das Verfahren des Hauptpatents empfiehlt hierzu, den als Leitgröße
dienenden Luftüberschuß n durch Messung der Nutzwärme E2 und der Rauchgäsmenge G,
in Nm3/sec sowie der Temperatur der Abgase t9 nach der Beziehung
zu ermitteln. Hierin bezeichnet k1 den Anteil der Abgaswärme Ei und der Nutzwärme
EZ an der in Wärme umgesetzten Brennstoffenergie, k2 einen Faktor, der dem Quotienten
aus dem unteren Heizwert des Brennstoffs Hu und der zur Verbrennung benötigten
spezifischen Luftmenge La entspricht,
t. die Abgastemperatur in 'C, t, die Frischlufttemperatur in 'C.
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Nach der angegebenen Beziehung wird für den Wert n zur Vereinfachung
der variablen Abgastemperatur t, noch ein konstanter mittlerer Temperaturwert (typ
- ti) eingeführt. Diese Vereinfachung bedeutet lediglich eine Annäherung,
da sich infolge der Nichtberücksichtigung der Lufttemperaturänderungen gewisse Ungenauigkeiten
ergeben, die sich auf die Regelung nachteilig auswirken können.
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Die Erfindung will diese Ungenauigkeiten dadurch beseitigen, daß die
mittlere Abgastemperatur tgo durch die wirkliche Abgastemperatur t, ersetzt und
die Lufttemperatur t, zusätzlich gemessen wird. Das bedeutet, daß in der für das
Verfahren des Hauptpatents maßgebenden Beziehung der Wert tgo dem Wert 1g gleichzusetzen
ist, so daß der Faktor [1 -i' k, (t, -teo)@ im Nenner der Gleichung
(1) gleich Eins wird und die Beziehung für n wie folgt lautet
Diese Beziehung gilt für alle Brennstoffe und ermöglicht eine einfache und zuverlässige
Bestimmung des augenblicklichen Luftüberschusses. Da die Nutzwärme E, genau wie
im Gegenstand des Hauptpatents durch einen normalen Differenzdruck-Dampfmengenmesser
ohne Temperaturberichtigung gemessen werden kann, enthält diese Gleichung als variable
Meßgrößen zwei Mengen, die Dampf- und Rauchgasmenge, und zwei Temperaturen, die
Abgas- und Frischlufttemperatur. Die Rauchgasmenge ist hier als eine Größe in Nm3/sec
einzusetzen.
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Wird zur Messung dieser Gasmenge eine Meßdüse oder Meßblende mit angeschlossenem
Differenzdruck-Gasrnengenmesser verwendet, so muß die Anzeige dieses Mengenmessers
bei schwankenden Rauchgastemperaturen mit dem Faktor
berichtigt werden, wenn tga die bei der Eichung vorhandene
und
der Anzeige des Mengenmessers zugrunde gelegte Rauchgastemperatur darstellt. Bezeichnet
man die vom Rauchgasmengenmesser angezeigte und auf die Temperatur tgo bezogene
Rauchgasmenge mit G, so ist
und die Beziehung für den Luftüberschuß n geht über in die Form
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise erfordert für ihre Durchführung eine von dem
Hauptpatent abweichende Anordnung zur Anzeige, Registrierung oder Zählung des Luftüberschusses,
deren Besonderheit darin besteht, daß je ein Meßgerät für die Rauchgasmenge, für
die Menge des Nutzwärmeträgers sowie ein Rauchgasthermometer und ein Frischlufttemperaturmeßgerät
in einem Quotientenbildner zusammengeschaltet sind, dessen Skala oder Aufzeichnungsstreifen
nach der Beziehung gemäß Gleichung (3) geeicht ist.
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Zur Vereinfachung der Messung in Übereinstimmung mit der Empfehlung
des Hauptpatents können die Meßgeräte für die Dampfmenge und den spezifischen Wärmeinhalt
des Dampfes durch einen Differenzdampfdruck-Mengenmesser ohne Temperaturberichtigung
ersetzt sein.
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Die Beziehung gemäß Gleichung (3) läßt sich in folgende Beziehunz
umwandeln:
Hierin bezeichnet der Faktor f (t) eine Funktion der Abgas- und Lufttemperatur
(t, - t,), die nur sehr wenig von dem Verhältnis der Rauchgasmenge zur Nutzwärme
(G: E2) abhängt. Das Verhältnis (G: E2) hat eine Größe
von etwa 1 : 500, das sich linear mit dem Luftüberschuß ändert. Der Wurzelausdruck
in dem Faktor f (t) hat die Größe von ungefähr 1, während der zweite Summand
(t9 -t,) - cpm .
bei etwa 150° Abgastemperatur, 20° Lufttemperatur und einer spezifischen Wärme
c." der Rauchgase von etwa 0,335 kcal/Nm3 eine Größe von 40,2: 500 - 0,08 aufweist.
Bei Änderungen des Luftüberschusses n von iL 20 °/o ändert sich die Rauchgasmenge
G bei gleicher Kessellast oder Nutzwärme E2 ebenfalls um -r- 20 °/o, so daß der
zweite Summand sich hierbei um ± 0,016 ändert. Die Änderung der Funktion
f (t) beträgt dann
Es ist daher ersichtlich, daß die Anzeige in erster Linie von dem Verhältnis der
beiden Mengen (G. E2) abhängt, während die Größe der Temperaturfunktion
f (t) nur sehr wenig von den Änderungen des Mengenverhältnisses (G : E2)
beeinflußt wird. Dies vereinfacht die praktische Darstellung dieser auf zwei Mengen
G und E2 und der Temperaturfunktion f (t) beruhenden Beziehung erheblieh.
Die Temperaturfunktion wird in der praktischen Ausführung durch eine Wheatstonesche
Brücke mit zwei Brückendiagonalen dargestellt, bei der die Anordnung der ersten
Diagonale mit einem konstanten Widerstand den Einfluß der Temperaturdifferenz (t9
- tt) mit dem Wurzelausdruck berücksichtigt, während die zweite Diagonale
eine zusätzliche Korrektur für Änderungen der Frischlufttemperatur bewirkt. Als
Speisestrom dieser Brücke dient ein der gemessenen Rauchgasmenge proportionaler
Teilstrom il, so daß in der zweiten Brückendiagonale ein dem Produkt G . f (t)
proportionaler Meßstrom entnommen werden kann.
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Die Fig. 1 zeigt die gesamte Meßschaltung. Der Rauchgas- und der Dampfmengenmesser
sind zur Fernübertragung der Meßwerte mit j e einem elektrischen Widerstandsfernsender
10 und 12 ausgerüstet. Der Speisestrom ist Gleichstrom von z. B. 24
Volt. Der Strom tritt in die Bürste des Rauchgasmengen-Fernsenders 10 ein
und verläßt die Meßschaltung an der Bürste des Dampfmengenmessers 12. Der am Fernsender
10 eintretende und dem Fernsender des Dampfmessers 12 zuströmende Strom teilt
sich in zwei Zweigströme, von denen der am Endpunkt der Fernsenderwicklung vorhandene
Teilstrom stets dem Ausschlag des betreffenden Mengenmessers und dem Gesamtstrom
proportional ist.
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Bezeichnet man den der Rauchgasmenge proportionalen Teilstrom mit
il, den der Dampfmenge proportionalen Teilstrom mit i2 und den jeweilig mit der
Belastung der Mengenmesser variablen Gesamtstrom mit i, so besteht für das Verhältnis
der Teilströme il und i2 zum jeweiligen Gesamtstrom i bei jeder Belastung die Beziehung
Das Stromverhältnis (il: i2) ist daher unabhängig von der Größe des Gesamtstroms
i und drückt stets das richtige Mengenverhältnis von Rauchgasmenge zu Dampfmenge
aus. Zur Darstellung der Temperaturfunktion f (t)
nach Gleichung (4) wird
der Teilstrom il der Rauchgasmenge einer Brückenschaltung mit zwei Brückendiagonalen
zugeführt. In die beiden benachbarten Brückenzweige am Eintritt des Speisestroms
il derWheatstoneschen Brücke werden in einem Zweig der Brücke zwei Rauchgaswiderstandsthermometer
14 mit einem Abgleichwiderstand 16 eingesetzt und im benachbarten Zweig ein Luftwiderstandsthermometer
18 mit einem konstanten Widerstand 20 und einem Abgleichwiderstand 22. In
den beiden anderen Brückenzweigen befinden sich konstante Widerstände 24 und 26
bestimmter Größe, während zwischen den Anschlußstellen der beiden Brückendiagonalen
noch ein konstanter Widerstand 28 genau berechneter Größe in den Brückenzweig mit
dem Luftwiderstandsthermonmeter 18 eingesetzt wird. Die erste Brückendiagonale enthält
einen konstanten Widerstand 30, während die zweite Diagonale einen konstanten Widerstand
32, einen Abgleichwiderstand 34 und ein Luftwiderstandsthermometer 36 enthält. Durch
richtige Bemessung der Widerstände wird erreicht, daß der in der zweiten Brückendiagonale
fließende Strom i.q dem Produkt G . f (t) genau proportional ist.
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Der zum Endpunkt der Fernsenderwicklung des Dampfmengenmessers fließende
Strom i2, der dem Ausschlag des Dampfmengenmessers proportional ist, wird als kleiner
Teilstrom an einem Widerstand 38 abgegriffen. Dieser abgegriffene kleine Teilstrom
des der Nutzwärme proportionalen Stromes i2 wird dann der Richtspule, der dem Produkt
G # f (t) proportionale Strom i, der Hauptspule
eines
elektrischen Quotientenmessers 40 zugeführt. Die Anzeige des Quotientenmeßwerks
entspricht dann genau der Funktion der vier Variablen G, E2, 1e und tt, von welchen
der Luftüberschuß n abhängig ist.
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Die Funktion für die Ermittlung und Anzeige des Kesselwirkungsgrades
il und des Abgasverlustes Va nach Patent 714273 hat einen ähnlichen
Aufbau wie die für den Luftüberschuß n in der vorliegenden Erfindung. Es ist hier:
wobei a die Restverluste des Kessels in °/o bedeuten. Demgegenüber läßt sich die
vorstehend abgeleitete Beziehung für den Luftüberschuß n
umwandeln in
Der Aufbau der beiden Formeln hat eine ähnliche Form, da sich bei dem Meßquotienten
nur der Zähler dadurch unterscheidet, daß bei der Wirkungsgrad- bzw. Abgasverlustanzeige
die Rauchgasmenge G, durch die Nutz-bzw. Abgaswärme E2 und Ei ersetzt sind. Es ist
daher ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1 dargestellte
Brückenschaltung mit zwei Brückendiagonalen direkt zur Anzeige des Wirkungsgrades
und des Luftüberschusses n bzw. des Abgasverlustes Va und des Luftüberschusses zu
benutzen. Da in der ersten Brückendiagonalen ein Meßstrom iyo proportional dem Meßwert
der Abgaswärme E2 _ G.1/273 -f- t" (t° _ tt) 273 -E- tD dargestellt
ist, braucht man zur Wirkungsgrad- bzw. Abgasverlustanzeige den Strom in der ersten
Brückendiagonalen nur abzugreifen und ihn der Hauptspule eines Quotientenmeßwerks
zuzuführen, während für die Richtspule ein Teilstrom des Stromes der Nutzwärme i2
abzugreifen ist. Es können dann Wirkungsgrad- bzw. Abgasverlust und der Luftüberschuß
an zwei Anzeigegeräten gleichzeitig mit derselben Brückenschaltung zur Anzeige gebracht
werden.
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Die in den beiden Brückendiagonalen der gleichen Brücke vorhandenen
Meßwerte für Wirkungsgrad bzw. Abgasverlust einerseits und Luftüberschuß andererseits
können erfindungsgemäß dazu benutzt werden, beide Meßwerte umschaltbar auf einem
Anzeigegerät nacheinander zur Anzeige zu bringen. Es werden dann die Ströme der
beiden Brückendiagonalen zu einem von Hand zu betätigenden Umschalter geführt, der
entweder den Anschluß des Meßstroms der ersten Diagonalen oder den der zweiten Diagonalen
bewirkt. Der der Nutzwärme proportionale Meßstrom wird hierbei zwei hintereinander
im Stromkreis i2 der Nutzwärme liegenden Anschlußstellen entnommen, die beim Umschalten
gleichzeitig umgeschaltet werden.
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Die Umschaltung des der Nutzwärme proportionalen Meßstroms ist für
jeden Meßwert erforderlich, da die Anzeige eines jeden Meßwertes mit dem Widerstand
38 von Fig. 1 abgeglichen wird. Die Umschaltung erfolgt dann vierpolig von Hand
von einer Meßstelle zur anderen.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann der Meßstrorn in jeder Brückendiagonalen
zweimal abgegriffen werden. Die Meßströme können daher sowohl einem Wirkungsgrad-
bzw. Abgasverlustanzeiger als auch einem Luftüberschußanzeiger gleichzeitig zugeführt
werden. Außerdem ist es noch möglich, beide Werte zusätzlich auf einem elektrischen
Schreiber zu registrieren. In Fig. 2 ist diese Schaltung dargestellt. Aus der ersten
Diagonalen führen die Meßströme der Abgaswärme zu dem Wirkungsgrad bzw. Abgasverlustanzeiger
42 und zu dem Zweifarbenschreiber 46, während die Meßströme der zweiten Brückendiagonalen
für den Meßwert G . f (t) einem Luftüberschußanzeiger 44 und dem Schreiber
46 zugeführt werden. Der der Nutzwärme E2 proportionale Meßstrom i2 kann für alle
vier Meßwerte, wie in Fig.2 dargestellt, je einer Stromverzweigung hintereinander
entnommen und der Richtspule des betreffenden Anzeige- oder Registriergerätes zugeführt
werden. Zur Registrierung der beiden Werte Wirkungsgrad und Luftüberschuß bzw. Abgasverlust
und Luftüberschuß mit einem Meßwerk eines Zweifarbenschreibers ist ebenfalls eine
vierpolige Umschaltung der beiden Meßwertströme erforderlich. Zur Umschaltung sind
hierzu zwei Relais notwendig, die vom Meßwertumschalter des Schreibers betätigt
werden. Es werden hierzu insgesamt nur ein Fernsender am Rauchgas- und Dampfmengenmesser
und zwei Rauchgas- und zwei Luftwiderstandsthermometer benötigt.
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Die in der Funktion von n aufgestellte Abhängigkeit der vier Variablen
gilt für alle Brennstoffe. Die Anzeige kann daher auch für Mischfeuerungen von z.
B. Staubkohle und Gichtgas verwendet werden, wenn zusätzlich der jeweilige Anteil
an Gichtgasenergie bekannt ist. In diesem Fall entspricht jede Stellung des Luftüberschußanzeigers
einem bestimmten Anteil an Gichtgasenergie, da die Stellung des Zeigers sich linear
mit dem Anteil an Gichtgasenergie ändert.
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Es ist daher ein weiteres Merkmal der Erfindung, die Luftüberschußskala
mit schräg angeordneten Skalenteilstrichen auszurüsten, von der jeder Punkt des
schrägen Teilstrichs einem bestimmten Anteil an Gichtgasenergie entspricht und bei
der alle Punkte mit gleichem Gichtgasenergieanteil auf einer horizontalen Skalenlinie
liegen. Es ergibt sich damit eine Skala mit horizontalen Teilstrichen für den Gichtgasenergieanteil
und mit schräg angeordneten Teilstrichen für die Ablesung des aus den vier Variablen
ermittelten Luftüberschusses nach Fig. 3. Damit ist die Luftüberschußanzeige für
alle Feuerungen verwendbar, wenn für :Mischfeuerungen entweder ein Energieanteilanzeiger
oder ein Schaubild mit Gichtgasenergieskala vorhanden ist.