CN105026920A - 用于确定燃料的燃烧值的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定燃料的燃烧值的装置(1)。所述装置(1)包括用于向所述装置(1)供应所述待测量燃料的燃料进口(40)。设有进气口(50)，用于向所述装置(1)供应含氧气体。所述装置(1)进一步包括连接至所述燃料进口(40)和所述进气口(50)的燃烧单元，所述燃烧单元设有用于使所述待测量燃料在其中燃烧的燃烧室(7)。连接至所述燃烧室(7)的出气口(8)可以排出燃烧后的气体。根据本发明的装置(1)包括流量测量单元(14)，所述流量测量单元(14)优选地为科里奥利类型，其设置在所述燃料进口(40)与所述燃烧室(7)之间。
Description
说明
本发明涉及用于确定燃料的燃烧值的装置和方法。就这点而言，将燃料的燃烧值定义为在燃料(完全)燃烧时释放的能量。
已知的用于确定燃料的燃烧值的装置是弹式热量计，例如从EP 0 623 818 A1得知。所述弹式热量计包括封闭容器，在封闭容器中设有质量精确确定的待测燃料、含氧气体和点火剂。内容器由外容器包围，在外容器中有水。利用弹式热量计，待测燃料连同含氧气体一起被点燃。燃料会燃烧。释放出来的热会加热外容器中的水。可以通过测量由该燃烧导致的水温增加来确定燃料的燃烧值。
在实践时，需要一种廉价且可靠的测量燃料(尤其是气态燃料)的燃烧值的方式，其中，优选使用可管理装置，从而使得也可以现场实行测量，例如，在新的天然气田、页岩气田或沼气厂处。
因此，本发明的目的是提供一种用于确定燃料的燃烧值的装置和方法。
为了实现该目的，本发明提供了一种上述类型的装置，所述装置包括：
燃料进口，所述燃料进口具有用于向所述装置供应待测量燃料的进料开口；
进气口，所述进气口具有用于向所述装置供应含氧气体的进气开口；
连接至所述燃料进口和所述进气口的燃烧单元，所述燃烧单元设有用于使所述待测量燃料与所述含氧气体在其中的燃烧反应中发生化学反应的燃烧室；
出气口，所述出气口连接至所述燃烧室，用于排出在所述燃烧反应中产生的废气；以及
用于至少测量由所述燃烧释放的能量的量的装置；
流量测量单元，所述流量测量单元设置在所述燃料进口的所述进料开口与所述燃烧室之间。
通过使用本发明的装置，可以按照连续的方式向装置供应待测量燃料，将所述燃料与供应的含氧气体混合，并且随后使燃料燃烧(无论是否连续)，由此确定燃料的燃烧值。这可以测量例如由非均匀燃料导致的燃烧值的变化。也可以精确地使含氧气体的供应适应供应的燃料量，由此实现完全燃烧。此外，可以向燃烧室供应较小量的燃料，燃烧室由此可以较小，从而，可以使用较小的样品来确定燃烧值。这意味着，可以使用较小的装置，从而满足现场测量的需要并且实现本发明的目的。
在下文将描述的一个实施例中，可以提供具有按序为0.1x0.1x0.1m的尺寸的装置。相较于已知的系统，这是明显地减小了尺寸，在一些情况下，已知的系统具有按序为1x1x1m的尺寸。因此根据本发明的装置可以如此小，所以较小的样品即足够。由此，在小尺寸实施例中，每分钟1-2ml的流速便足够，而已知的大系统需要每分钟高达5000ml的流速。
根据本发明的装置优选地包括用于确定燃料的密度和/或流速的流量测量单元。合适的流量测量单元例如是科里奥利(Coriolis)类型的流量测量单元，其结构和操作众所周知，例如从EP 1719983得知，该专利的内容将以引用的形式并入本申请中。通过使用该流量测量单元，可以按照较廉价且可靠的方式确定待测量燃料的流速(质量流量和/或体积流量)。所述确定可以发生在燃料正好到达燃烧室之前，这会进一步增加装置的精确度。另外，科里奥利类型的流量测量单元适合用于在供应待测量燃料的同时确定待测量燃料的密度。由此，也可以随时测量密度，从而，若需要，在确定燃烧值时可以将所述密度的变化纳入考虑，这进一步增加了精确度。上述流量测量单元(例如，科里奥利类型的流量测量单元)的使用可以实现较紧凑的流量测量单元，从而可以使整个装置较小。另一有利方面是该传感器较廉价这一事实。科里奥利类型的流量测量单元由此可以实现紧凑且可管理的结构，除此之外，其较廉价。
科里奥利类型的流量测量单元的另一优点在于其非常适合用于测量气态燃料、液态燃料甚或这两种燃料的组合的流速和/或密度。由此，可以确定气态燃料和液态燃料的燃烧值。
如果测量了待测量燃料的密度，那么可以有效地确定燃料的所谓沃泊指数WI(MJ/Nm3)。沃泊指数用于比较不同成分的燃料气体的燃烧值。沃泊指数可以通过下式计算得到：
其中，H[MJ/Nm3]为在特定体积量的燃料气体与空气完全燃烧期间生成的热量，或者，换言之，燃烧值；Gs[-]为燃料气体与空气在相同温度和相同压力下的质量密度(例如，通过科里奥利类型的流量测量单元确定)之比。沃泊指数是对特定燃烧嘴上的不同气体的可交换性的测量(measure)。具有相同沃泊指数的气体在给定的燃烧嘴上提供相同的热容量。如果气体的沃泊指数未发生太大改变，那么用于特定燃料气体的燃烧嘴组在切换至不同气体成分的情况下仅可以保持其热量容量。如果沃泊指数相差太大，那么燃烧嘴将不再适当运作，需要重新调整。在实践时，对于工业使用，5％的波动仍认为是可以接受的；对于家用，小于2％的带宽是适用的。
为了也能够利用装置本身确定沃泊指数，在本发明的一个实施例中，装置包括用于优选地基于通过例如科里奥利类型的流量测量单元确定获得的密度来确定燃料的沃泊指数的装置。就这点而言，可以使用上面描述的燃烧值H(MJ/Nm3)。
为了确定待测量燃料的燃烧值，优选地测量由燃烧导致的温度增加。在一个实施例中，这可以通过如下实现：装置设有可以设置在燃烧单元上或附近的至少一个温度测量元件。用于至少测量在燃烧时释放的能量的装置由此包括温度测量元件。在一个实施例中，温度测量元件设置为与燃烧室相隔一定距离，从而使温度测量元件暴露于更小的温度增加。温度测量元件可以是集成式铂电阻传感器。
在一个实施例中，装置包括设置在进气口的进气开口与燃烧室之间的另一流量测量单元(例如，科里奥利类型)。含氧气体的质量流量可以通过使用所述流量测量单元来确定并且可能通过其进行控制。可替代地或另外地，可以利用该流量测量单元来确定含氧气体的密度，从而可以利用该流量测量单元更精确地确定沃泊指数。
如果装置设有用于优选地在待测量燃料到达燃烧室之前增加至少待测量燃料的温度的加热元件，那么就实现了待测量燃料的可靠燃烧。该加热元件(例如，是电阻加热元件的形式)可以将待测量燃料和/或含氧气体预热到升高的温度，例如，预热到约600℃或另一值，这取决于待测量燃料的燃烧温度。当燃料与含氧气体混合时，升高的温度通常足以获得自发燃烧。可能的情况是，可以设置另外的外部加热元件，这进一步加热了混合物，以产生自发燃烧。也可以设置其他的燃烧装置。
如果装置包括系统芯片，该系统芯片具有设置在载体上的硅衬底，其中，系统芯片设有流量测量单元和/或燃烧单元，那么获得了装置的非常紧凑和小尺寸的实施例。例如，在EP2078936中描述了一种具有流量测量单元的实施例，该公开以引用的方式并入本申请中。结合该实施例，可以使用芯片大小(按序为2x2cm)的传感器，从而相较于已知的系统，尺寸在相当程度上得以减小。优点在于，科里奥利类型的流量测量单元适合与系统芯片中的现有技术集成。
系统芯片可以设有开口，在该开口内存在氮化硅流管，该氮化硅流管具有两端，每端均经由开口的壁并入到在硅衬底中的涂覆有氮化硅的通道中。该实施例非常适合科里奥利类型的流量测量单元。
在非常紧凑的实施例中，这种实施例尤其适合测量气态燃料的流速和/或密度，科里奥利类型的流量测量单元包括氮化硅流管。因为所述流管的管壁较薄，由此流管的质量较小，所以精确的气体测量成为可能。
可以设想，燃烧单元包括氮化硅流管，以及，可能地且另外地，氮化硅流管包括燃烧室。氮化硅非常适合该目的，因为其能够经受高达约1000℃的温度。这样，获得了紧凑的结构，以及，另外地，如果科里奥利类型的流量测量单元包括另一氮化硅流管，如上面已经描述的，那么这必然会适用。
就设置在芯片上的较小燃烧室方面来讲，其本身是适用的，并且申请人保留保护该方面的权利，例如，在一个或多个分案中。根据该方面，提供了一种用于确定燃料的燃烧值的装置，该装置包括：
燃料进口，该燃料进口具有用于向装置供应待测量燃料的进料开口；
进气口，该进气口具有用于向装置供应含氧气体的进气开口；
系统芯片，该系统芯片具有设置在载体上的硅衬底，其中，该系统芯片设有流量测量单元和/或燃烧单元，燃烧单元设有用于使待测量燃料与含氧气体在其中的燃烧反应中发生化学反应的燃烧室；
出气口，该出气口连接至燃烧室，用于排出在燃烧反应中产生的废气；以及
用于至少测量由燃烧释放的能量的量的装置。
为了能够获得对由燃烧引起的温度增加的精确测量，燃烧室可以热绝缘地位于系统芯片的开口内。在这种情况下，产生的热量会通过传导散布在燃烧单元中，并且在为该目的而设置的温度测量元件所在位置处引起温度增加。在这种情况下，所述温度增加是对从待测量燃料释放出来的热量的衡量，由此是对燃烧值的衡量。
如果实现了完全燃烧，那么其是优选的，从而使得精确确定燃烧值和/或沃泊指数成为可能。在一个实施例中，因此，装置包括将待测量燃料与含氧气体混合的混合元件。
为了能够检查燃烧程度，在一个实施例中，可以在燃烧室的下游设有氧气传感器，该氧气传感器用于确定在燃烧气体中的残余氧气的量。可替代地或另外地，未燃烧组分的催化检测可能发生。该实施例可以是较简单和紧凑的结构。
在一个实施例中，装置包括催化剂元件。通过使用该催化剂元件，可以显著降低自发燃烧的温度，例如降至300℃，从而使整个装置中的温度(尤其是燃烧单元中的温度)更低，这对于装置的寿命有利。
根据一个方面，本发明提供了一种通过使用根据本发明的装置来确定燃料的燃烧值的方法，该方法包括如下步骤：
向所述燃料进口供应待测量燃料；
通过优选地是科里奥利类型的流量测量单元确定至少一个参数，诸如，待测量燃料的流速和/或密度；
向进气口供应含氧气体；
向燃烧单元的燃烧室供应待测量燃料和含氧气体；
使待测量燃料与含氧气体在其中的燃烧反应中发生化学反应；
确定在燃烧时释放的能量的测量，由此确定燃料的燃烧值。
前面已经参考装置阐释了该方法的优点。
根据本发明的方法尤其包括通过优选地是科里奥利类型的流量测量单元确定至少一个参数的步骤。所述参数优选地是密度，但是其也可以是质量流量、或另一参数、或其组合。
根据本发明，同样可以设想的是，向燃烧室供应待测量燃料和含氧气体持续发生。
在另一实施例中，向燃烧室供应待测量燃料和含氧气体周期性地发生。由此，燃烧周期性地发生，导致温度增加，于是，不再供应燃料，以及热量可能由此损失。这意味着，在控制下，可以容易地保持系统的温度。除此之外，在温度增加时发生的时间效应可以是确定传感器中热量运送的动态效应的服务，以及可以用于例如校准目的。
例如，这可以意味着，在两个连续供应周期之间的时长与在一个周期期间的供应时长之比大于1，优选地，该比值在5与15之间，例如，在9与11之间。
在一个周期期间的燃料供应时长约10秒。利用上述比值，即，无燃料供应的周期，或者换言之，在两个连续供应周期之间的周期，可以大于10秒，优选地，在50秒与150秒之间，例如，在90秒与110之间。
此外，如果方法包括测量在燃烧燃料中的残余氧气的量的步骤，那么是可以设想的。
下面将参考多个附图对本发明进行更加详细的阐释，这些附图示出了本发明的可能实施例。
在附图中：
图1是根据本发明的装置的透视图；
图2是根据本发明的装置的示意图；
图3是根据本发明的装置的实施例的示意图。
图1示出了一种用于确定燃料的燃烧值的装置1。该装置包括燃料进口40，该燃料进口40具有进料开口，该进料开口经由中间元件41通往装置1。燃料进口40可以连接至例如燃料容器(无论是否处于压力下)，由此供应燃料。类似地，该装置包括进气口50，该进气口50也经由中间元件51通往装置1。进气口50可以用于向装置供应含氧气体，诸如，空气或氧气，例如，进气口50连接至含氧气体的容器。将燃料和含氧气体供应至具有设置在载体11上的硅衬底的系统芯片1。系统芯片设有几个单独的通道4、5，这些通道用于运送燃料和含氧气体从中通过。在系统芯片1中，分别为燃料通道4和气体通道5设置流量测量单元14、15(在图示的实施例中为科里奥利类型的流量测量单元)。在其下游，设置另外的通道21、22，这些通道在混合单元30所在位置处交汇，在该处，将燃料和含氧气体混合在一起。在混合通道的下游设有燃烧空间7，燃烧发生在该燃烧空间中。燃料气体可以经由下游的通道23排到出气口8，在出气口8处，燃料气体可以经由管80排出。
系统芯片1设有开口10，在开口10中存在氮化硅流管21、22、23，该氮化硅流管具有两端，每端均经由开口的壁并入到在硅衬底11中的涂覆有氮化硅的通道中。在开口10中，由此形成凸起12，可以说，燃烧室位于该凸起12上。燃烧室7由此热绝缘地位于系统芯片1的开口10内。
图2是根据本发明的装置1的实施例的顶部平面示意图。在该图中，再次示出了燃料进口4和含氧气体进气口5。两个开口4、5分别向流量测量单元14、15敞开，用于测量流体的流速和/或密度。在优选实施例中，流量测量单元优选地为科里奥利类型。在其下游分别设有加热元件43、53，加热元件分别加热流管的一部分42、52，由此增加在第一步骤中的燃料和含氧气体的温度。这两个独立的流管在T型接合点30或混合元件处交汇，在该处，将燃料与含氧气体混合在一起。交汇处下游设有另一加热元件83，该另一加热元件用于加热燃料和含氧气体的混合物，由此引发在燃烧室82中的燃烧。燃料气体然后可以经由出气口8排出。
在图2所示的实施例中，可以设想，燃烧室82形成系统芯片的一部分，流量测量单元14、15作为单独的单元与燃烧室分开设置。由此，例如，可以使用市购流量测量单元，诸如，来自Bronkhorst公司的CORI-FLOW质量流量计。另外，可以设想，与图1相似，流量测量单元和燃烧室形成一个集成系统芯片的一部分或设置在多个独立的系统芯片上。
图3示出了装置1的替代实施例，在该图中，类似的部件用类似的附图标记表示。再次，装置1包括系统芯片11，该系统芯片11设有开口10，在该开口内存在热绝缘的燃烧单元12。现在，装置1包括含氧气体的两个入口2，采取第一管状通道4和第二管状通道6的形式。在所述通道中，分别设有第一流量测量单元14和第二流量测量单元16，这两个流量测量单元优选地为科里奥利类型。装置1进一步包括燃料的入口3，在该入口中，设有优选地为科里奥利类型的流量测量单元(出于清晰起见，未示出)。流量测量单元优选地设计为测量讨论中的流体的密度和/或流速。
在入口2、3的下游，在热绝缘凸起12所在位置处，通道在混合单元30所在位置处交汇。交汇处下游是燃烧空间7，在图示的实施例中，该燃烧空间7配置为通道。
此外，在系统芯片上设有多个所谓的键合焊盘9a-9n或键合(bonding)表面，该键合焊盘可以用于例如连接至加热元件、温度测量元件、氧气传感器或可能需要的任何其他部件。该键合焊盘9a-9n对于技术人员而言是已知的。在图示的实施例中，键合焊盘9a-9n连接至铂加热元件，通过该铂加热元件也可以对温度进行测量。在图示的实施例中，键合焊盘9a-9n连接至温度传感器。氧气传感器(未示出)设置在出口8中或附近，用于测量残余氧气，虽然，可以设想，所述氧气传感器不形成装置的组成部分，但是其作为独立的部分连接至出口8。
技术人员应了解，在前述说明中，已经参考本发明的优选实施例对本发明进行了阐释。然而，本发明不限于此。在本发明的框架内，多种修改都是可以设想的。寻求保护的范围由所附权利要求书限定。
Claims (22)
1.一种用于确定燃料的燃烧值的装置，所述装置包括：
燃料进口，所述燃料进口具有用于向所述装置供应待测量燃料的进料开口；
进气口，所述进气口具有用于向所述装置供应含氧气体的进气开口；
连接至所述燃料进口和所述进气口的燃烧单元，所述燃烧单元设有燃烧室，用于使所述待测量燃料与所述含氧气体在其中的燃烧反应中发生化学反应；
出气口，所述出气口连接至所述燃烧室，用于排出在所述燃烧反应中产生的废气；以及
用于至少测量由所述燃烧释放的能量的量的装置；
流量测量单元，所述流量测量单元设置在所述燃料进口的所述进料开口与所述燃烧室之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流量测量单元优选地为科里奥利类型，设计为确定所述待测量燃料的密度和/或流速。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述装置设计为确定气态和/或液态燃料的燃烧值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括用于确定所述燃料的沃泊指数的装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述的用于至少测量在燃烧时释放的能量的量的装置包括温度测量元件，所述温度测量元件优选地设置在所述燃烧单元上或附近。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括设置在所述进气口的所述进气开口与所述燃烧室之间的另一流量测量单元，所述另一流量测量单元优选地用于确定所述含氧气体的密度和/或流速，其中，所述另一流量测量单元优选地为科里奥利类型。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置设有加热元件，所述加热元件用于优选地在所述待测量燃料到达所述燃烧室之前，增加至少所述待测量燃料的温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括系统芯片，所述系统芯片具有设置在载体上的硅衬底，其中，所述系统芯片设有所述流量测量单元和/或所述燃烧单元。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述系统芯片设有开口，在所述开口内存在氮化硅流管，所述氮化硅流管具有两端，每端均经由所述开口的壁并入到在所述硅衬底中的涂覆有氮化硅的通道中。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述科里奥利类型的流量测量单元包括所述氮化硅流管。
11.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述燃烧单元包括所述氮化硅流管。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述氮化硅流管包括所述燃烧室。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述燃烧室热绝缘地位于所述系统芯片的所述开口内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括用于混合所述待测量燃料和所述含氧气体的混合元件。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在所述燃烧室的下游设有氧气传感器，所述氧气传感器用于确定在所述燃烧气体中的残余氧气的量。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括催化剂元件。
17.一种通过使用根据前述权利要求中任一项所述的装置来确定燃料的燃烧值的方法，所述方法包括如下步骤：
向所述燃料进口供应待测量燃料；
通过所述流量测量单元确定所述待测量燃料的流速；
向所述进气口供应含氧气体；
向所述燃烧单元的所述燃烧室供应所述待测量燃料和所述含氧气体；
使所述待测量燃料与所述含氧气体在其中的燃烧反应中发生化学反应；以及
确定在燃烧时释放的能量的量，由此确定所述燃料的燃烧值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，持续向所述燃烧室供应所述待测量燃料和所述含氧气体。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，周期性地向所述燃烧室供应所述待测量燃料和所述含氧气体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，在两个连续供应周期之间的时长与在一个周期期间的供应时长之比大于1，优选地，该比值在5与15之间，例如，在9与11之间。
21.根据权利要求20或21所述的方法，其中，在一个周期期间的供应时长约10秒。
22.根据前述权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述方法包括测量在所述废气中的残余氧气的量的步骤。
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