DD144605A1 - Bestimmung der enthalpie von gasen in plasmachemischen prozessen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur schnellen Bestimmung der Enthalpie von Gasen mit hoher Temperatur (1 100 bis 10 000 K) sowie von reaktiven Gasgemischen in plasmachemischen Prozessen. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen in der Bestimmung der Orte plasmachemischer Umsetzungen über einen weiten Temperaturbereich anhand der auftretenden Wärmetönungen sowie in der automatischen Steuerung bzw. Regelung der Betriebsparameter der Anlage. Das. wird erreicht, indem das Sondenrohr einer kalorimetrischen Sonde über den Kanal eines Meßkörpers, der sich in einem Reaktor befindet, in die Meßkammer eingeführt wird. Bei Entnahme einer Gasprobe wird die Gasmenge sowie die dadurch bedingte WidersLandsänderung des Innenrohres der Sonde registriert und eine Ortsbestimmung piasmachemischer Umsetzungen durch Aufzeichnen der gemessenen Daten mittels eines Meß-, Steuer- und Regelsystems vorgenommen. - Fig.1 —

Description

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Erfinder · Berlin, den 28. 5. 197S

251/3374/111 Dr. H. Hoffmann

Bestimmung der Enthalpie von Gasen in plasmachemischen Prozessen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur schnellen Bestimmung der Enthalpie von Gasen mit hoher Temperatur (1100 bis 10 000 K) sowie von reaktiven Gasgemischen in plasmachemischen Prozessen. Sie gestattet die Bestimmung der Orte plasmachemischer Umsetzungen über einen weiten Temperaturbereich anhand der auftretenden Wärmetönungen sowie eine Steuerung von Anlagen zur plasmachemischen Stoffwandlung mit Betriebstemperaturen oberhalb von 1900 K.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der Plasmaphysik und -chemie, der Raumfahrt und anderen Bereichen der Technik haben die Temperaturen, bei denen Messungen an Gasen, reaktiven Gasgemischen und Plasmen gemacht werden müssen, Pegel erreicht, die für einen zuverlässigen Betrieb konventioneller Meßvorrichtungen zu hoch sind. Das führte zur Entwicklung einer ganzen Reihe gekühlter Sonden, die u. a. zur Bestimmung der Enthalpie, der Temperatur, der verschiedenen Drücke sowie

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der Gasgeschwindigkeit und -zusammensetzung verwendet werden können·

Die Enthalpiesonden beruhen sämtlich auf den Prinzipien der Kalorimetrie, wobei die von dem Sondenkühlmittel abgeführte Wärme verwendet wird, um die Enthalpie einer bestimmten Gasmenge zu ermitteln. Jede Sonde dieser Art entnimmt eine Probe des zu untersuchenden Gases. Bei Messungen der durchströmenden Menge der angesaugten Probe und der aus ihr durch das Kühlmittel aufgenommenen Energie kann die Enthalpie der Probe direkt bestimmt werden. Zur Ermittlung der Energieaufnahme durch das Kühlmittel werden im allgemeinen Thermoelemente eingesetzt, die die Kühlmitteltemperaturen im Zulauf und Auslauf der Sonde messen. Bei einigen Sonden ist dabei noch eine Leermessung zur Trennung der Energie, die abgeführt wird, um das Äußere der Sonde zu kühlen, von der, die zur Kühlung der Gasprobe selbst verwendet wird, erforderlich. Beispiele für derartige gekühlte kalorimetrische Sonden sind in den folgenden Patenten beschrieben: OS-3167956; US-3459039; De-OS-1589836; GB-1043316; GB-1181829.

Bei anderen Sonden erübrigt sich die Notwendigkeit einer Eigenmessung durch die Einrichtung eines inneren und eines äußeren Kühlmittelkreislaufs, beide thermisch voneinander isoliert. Derartige Sonden gestatten eine ungestörte Ermittlung des Wärmeüberganges zwischen heißem Gas und innerem Kühlmittelkreislauf durch eine einzige Messung. Beispiele hierfür liefern die folgenden Patente: US-3459040; US-3453880; DE-OS-2048184.

In einer anderen Ausfüiirungsfortn wird in den Sondenkanal, den das heiße Gas, dessen Enthalpie bestimmt werden soll, durchströmt, unmittelbar hinter der Sondenspitze eine Kühlflüssigkeit eingeführt. Der sich an der Innenwand des Sondenkanals ausgebildete Flüssigkeitsfilm übernimmt die Abkühlung des heißen Gases. Die Temperaturen der zugeführte,n Kühlflüssigkeit und des erwärmten Flüssigkeits-Gas-Gemisches am Sondenausgang werden mit Hilfe eines Thermo-

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elements bestimmt (US-3301059; US-3938390). Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung von Strahlenthalpien besteht in der Bestimmung des Wärmeüberganges auf einen Metallzylinder bekannter thermischer Leitfähigkeit, dessen Temperaturen an zwei verschiedenen Stellen mit Thermoelementen gemessen werden (US-32O4447). Bei einer weiteren Variante einer kalorimetrischen Enthalpiesonde wird auf den Einsatz von Thermoelementen zur Messung des Energieüberganges völlig verzichtet. Der Wärmeübergang erfolgt auch nicht wie bei den bisher beschriebenen Sondentypen vom heißen Gas auf eine Kühlflüssigkeit, sondern es wird der Wärmeübergang Gas-Sondenkanal durch Messung des Abfalls einer an den Sondenkanal angelegte Spannung bestimmt. Voraussetzungen dazu sind eine thermische und elektrische Isolierung des Sondenkanals von der Umgebung (US-3498126). Zur Messung des Wärmeüberganges kann auch in einer empfindlichen Brückenschaltung die Widerstandsänderung .eines aufgedampften Metallfilmes herangezogen werden (US-3138025).

Ein großer Teil der gebräuchlichen Sonden stützt sich auf den Einsatz von Thermoelementen bei der Bestimmung des Wärmeüberganges vom heißen Gas auf eine Kühlflüssigkeit bzw. auf einen Körper bekannter Wärmeleitfähigkeit. Dabei sind diejenigen Sonden, die eine zusätzliche Leermessuhg erfordern, zwar konstruktiv einfacher aufgebaut, aber im Einsatz infolge der längeren Meßzeiten und den dabei auftretenden Kühlungsproblemen schwerfälliger zu handhaben. Alle bisher beschriebenen Sondentypen wurden vorzugsweise in Hochdruck-Lichtbogenströmungen, Plasmastrahlen, Elammen, Turbinentriebwerken und Raketenmotoren eingesetzt mit dem Ziel, die Enthalpie oder Temperatur bzw. das Produkt der Temperatur und der Massenflußgeschwindigkeit eines Gases zu bestimmen. Dabei werden die Sonden derart angeordnet, daß ihr Spitzenteil der zu untersuchenden Strömung gegenüberliegt. Der Hauptman-'gel der bisher bekannten technischen Lösungen besteht darin, daß zwar die verwendeten kalorimetrischen Sonden für den Einsatz in Plasma-Freistrahlen und speziell in chemisch nicht reagierenden Systemen gut

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einsetzbar sind, aber die für die Pracis so wichtige Diagnostik plasmachemischer Pyrolysen in geschlossenen Reaktionsrohren und Kammern damit nicht durchgeführt •werden kann, '

Ziel der Erfindung . .

Ziel der Erfindung ist, eine Methode zur schnellen Bestimmung der Enthalpie von Gasen mit hoher Temperatur sowie von raktiven Gasgemischen in plasmachemischen Prozessen, die im Innern von Reaktoren ablaufen, anzugeben, mit der auch eine Diagnostizierung der Orte plasmachemischer Umsetzungen anhand der auftretenden Wärmetönungen möglich ist.

Aufgabe der Erfindung '

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, mittels einer Einrichtung, bestehend aus einem Meßkörper und einer schnellmessenden kalorimetrischen Sonde, eine Charakteristik plasmachemischer Pyrolysen in abgeschlossenen Reaktoren hinsichtlich ihrer Energieverteilung vorzunehmen.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird das durch die folgenden Verfahrensschritte erreicht:

Einsetzen des Sondenrohres einer kalorimetrischen Sonde in den thermisch und mechanisch geschützten Kanal eines Meßkörpers, Absaugen eines konstanten Gasstromes über das Innenrohr der Sonde, Bewegung der Sonde in Richtung auf eine gewünschte Stelle in der Meßkammer, die sich in einem Reaktor befindet und Entzug einer heißen Gasprobe aus diesem Gebiet bei gleichzeitiger oszillographischer Registrierung der dadurch bedingten Widerstandsänderung des· Innenrohres der Sonde, Rückführung der Sonde in den Kanal des Meßkörpers· und Berechnung der Enthalpie aus den aufgezeichneten Werten. Der Wandlungsgrad der Finalprodukte kann anhand der auftretenden Wärmetönungen an bestimmten Orten überwacht und gegebenenfalls über ausgewählte Betriebsparameter mittels

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eines Meß-, Steuer- und Regelsystems von der Anlage automatisch korrigiert werden·

Die aus einem Meßkörper und einer kalorimetrischen Sonde als Teil eines Meß-, Steuer- und Regelsystems bestehende erfindungsgemäße Einrichtung, gestattet, Enthalpiemessungen in verschiedenen Ebenen der Reaktionskammer einer Plasmaanlage durchzuführen. Der Meßkörper besteht aus einer gekühlten Scheibe, deren zentrale Bohrung mit dem Innendurchmesser der Reaktionskammer eines Reaktors übereinstimmt. Seitlich in diese zentrale Bohrung mündet ein Kanal, durch den die Enthalpiesonde unter Beibehaltung der Dichtigkeit der Reaktionskammer gegenüber dem Außenraum, senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas, bis zur gewünschten Stelle in die Reaktionskammer vorgeschoben werden kann. Verschmutzung bzw. unzulässige Erwärmung der Sonde in den Meßpausen werden durch ein geeignetes Spülgas verhindert. Die Sonde besitzt ein thermisch und elektrisch isoliertes Innenrohr mit einem Gaseinlaß zum Absaugen einer Gasprobe, wobei die Wärmeübertragung vom heißen Gas auf das Innenrohr über seine elektrische Widerstandsänderung trägheitslos bestimmt werden kann und eine Frontalanströmung der Sonde durch das Plasmagas nicht erforderlich ist. Kennzeichnend ist weiterhin, daß das Sondenrohr aus vier koaxial zueinander angeordneten Röhrchen besteht, die von Isoliereinsätzen umgeben und Schlitze zur Rückführung des Kühlmittels im Strömungsdurchlaß vorgesehen sind,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Pig. 1: den .Meßkörper mit einer kalorimetrischen Sonde, Pig. 2: einen Schnitt durch Sondenkörper und Sondenrohr, Pig. 3: einen Schnitt A-A durch das Sondenrohr. Gemäß Pig, 1 steckt das Sondenrohr 2 des Sondenkörpers 1 vor der Messung bzw. in den Meßpausen zurückgezogen im

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Kanal 9 des Meßkörpers 7. Um eine Verschmutzung durch Feststoffteilchen bzw. eine vorzeitige Erwärmung des Sondenrohres 2 in dieser Position zu verhindern, wird über die Gaszuführung 11 ein Spülgas eingeleitet, das unmittelbar vor der Einmündung des Kanals 9 in die Meßkammer ausströmt. Damit ist ein wirksamer thermischer und mechanischer Schutz des Sondenrohres 2 gegeben· Zur Enthalpiemessung wird das Sondenrohr 2 senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas in der· Achse des Kanals 9 bis zur gewünschten Stelle in die Meßkammer 8 vorgeschoben, wobei die Dichtung 12 die Anlage gegenüber dem Außenraum verschließt. Zur Verbesserung des thermischen Schutzes der gesamten Einrichtung wird durch den Kühlkreislauf ein Kühlmittel geleitet.

Gemäß Fig. 2 und 3 besteht das Sondenrohr 2 aus vier koaxial zueinander angeordneten Röhrchen 13; 21; 22 und 23. Beim Ansaugen einer Gasprobe findet eine Wärmeübertragung vom heißen Gas auf das Innenrohr 13 statt. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist das Innenrohr 13 "von einem Luftspalt 14 umgeben. Eine Wärmezuführung'von außen wird durch den Kühlmantel, gebildet aus den Röhrchen 21; 22 und23 verhindert. Das Kühlmittel wird über die Kühlwasserzuführung 5 im Strömungsdurchlaß 24 der Sondenspitze zugeführt und strömt nach Passieren der Schlitze 26 unmittelbar vor der Spitze in einem zweiten Durchlaß 25 zurück zur Kühlwasserabführung 6. Die Durchführung der Enthalpiemessungen erfordert eine elektrische Isolation des Innenrohres 13 von den übrigen Teilen der Sonde, die durch die Einsätze 15 und 16 sowie durch die isolierte Weiterführung 17 des Innenrohres 13 bis zur Scheibe 18 gewährleistet ist* Der Flansch 19 ist vakuumdicht an die Scheibe 18 angesetzt. Dabei übernimmt der Rundring 20 neben der Vakuumabdichtung gleichzeitig die Funktion der elektrischen Isolation des Innenrohres 13. Zur Bestimmung des Wärmeüberganges wird die Widerstandsänderung des Innenrohres 13 über die Meßleitungeri 3 und 4 gemessen» Gleichzeitig muß die Gasmenge ermittelt werden, die diese Widerstandsänderung bewirkt hat*

Claims (4)

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   Erfindungsansprüche

   1. Verfahren zur schnellen Bestimmung der Enthalpie von Gasen mit hoher Temperatur sowie von reaktiven Gas-

   • gemischen in plasmachemischen Prozessen, gekennzeichnet dadurch, daß das Sondenrohr eines kalorimetrischen Sondenkörpers über den Kanal eines Meßkörpers, der sich in einem Reaktor befindet, in eine abgeschlossene Meßkammer vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Gases und in Richtung auf die gewünschte Stelle eingeführt, eine Gasprobe der Meßkammer bei gleichzeitiger Registrierung der dadurch bedingten Widerstandsänderung des Innenrohres der Sonde entnommen wird und eine Ortsbestimmung plasmachemischer Umsetzungen anhand der auftretenden Wärmetönungen durch Aufzeichnen der gemessenen Daten mittels eines Meß-, Steuer- und Regelsystems sowie die Berechnung der Enthalpie erfolgt.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Sondenrohr (2) eines Sondenkörpers (1) ein Innenrohr (13) zum Absaugen einer Gasprobe aus einer Meßkammer (8) eines Meßkörpers (7) besitzt, wobei das Rohr (13) zwecks thermischer Isolierung von der Umgebung durch einen Luftspalt (14) getrennt und von einem koaxial zu ihm angeordneten Kühlmantel, gebildet aus den Röhrchen (21; 22; 23), umgeben ist, durch dessen Strömungsdurchlässe (24; 25) ein Kühlmittel zirkuliert, daß ferner das Rohr (13) Mittel zur elektrischen Isolierung (15; 16; 17) von den umgebenden Teilen, sowie Meßleitungen (3; 4) zur Messung seiner Widerstandsänderung aufweist und daß das in einem thermisch und mechanisch geschützten Kanal (9) des Meßkörpers (7) geführte Sondenrohr (2) mittels einer Dichtung (12) nach außen abgedichtet ist,
3. 3. Einrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Sondenrohr (2) aus vier koaxial zueinander angeordneten Röhrchen (13; 21; 22; 23) besteht, die von

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   Isoliereinsätzen (15; 16; 17) umgeben und Schlitze (26) zur Rückführung des Kühlmittels im Strömungsdurchlaß (25) vorgesehen sind.
4. 4. Einrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß zum thermischen und mechanischen Schutz des Sondenrohres (2) im Meßkörper (7) ein Kühlkreislauf (10) sowie eine Spülgaszuführung (11) angeordnet sind.

   Hierzu... Z Seilen Zeichnungen