DE10129808A1

DE10129808A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Wobbeindex, Heiz- oder Brennwert

Info

Publication number: DE10129808A1
Application number: DE2001129808
Authority: DE
Inventors: Martin Baecke
Original assignee: HEPTEC GmbH
Current assignee: HEPTEC GmbH
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2003-01-02

Abstract

Verfahren zur Messung von Wobbeindex, Heiz- oder Brennwert, bei dem ein Gemisch von Luft und Gas zugeführt, das Gemisch verbrannt und anschließend gekühlt wird, wobei die Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung gemessen wird, um rasch ein Messergebnis zu erhalten. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.
Eine solche Vorrichtung, die von einem solchen Verfahren Gebrauch macht, wird von der ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, EI Segundo, California, USA, hergestellt. Sie wird als "Heat recovery calorimeter" bezeichnet. Hierzu existiert die europäische Patentanmeldung EP 0 187 272 A1 (USA 1984). Luft und Gas werden über Temperatur- und Druckregelung in vorgegebenem Verhältnis gemischt und an einem erhitzten Katalysator verbrannt. Die Verbrennungsgase werden an einer Wärmesenke auf Umgebungs- bzw. Gaseintrittstemperatur zurückgekühlt. Enthaltener Wasserdampf kondensiert. Die Temperatur des Katalysators wird elektronisch geregelt und die zugeführte elektrische Leistung erfasst. Die Kühlung erfolgt mittels Peltierelementen. Kalt- und Warmseitentemperatur werden erfasst. Mit dem Leistungsbedarf der Peltierelemente wird die transportierte Wärme berechnet. Die Differenz aus abgeführtem Wärmestrom und am Katalysator zugeführter Leistung wird als Reaktionswärme mit dem Gasstrom zum Brennwert verrechnet.
Fehler ergeben sich infolge der Kondensation von Feuchtigkeit, die bereits vor der Verbrennung in Luft oder Gas enthalten war. Die Kombination Wärmesenke, Peltierelement, Kühlprofil führt zu einer thermischen Trägheit. Die Einrichtung muss wegen der Temperaturabhängigkeit des Peltierelementes bei verschiedenen Umgebungstemperaturen kalibriert werden.
Heizwert und unterer Wobbeindex werden für eine Vielzahl von Anwendungsfällen benötigt, die mit der aus einer Gasverbrennung ohne Wasserdampfkondensation verfügbaren Energiemenge arbeiten und gleichbleibende Anlagenleistungen (Anlagenautomatisierung) bei minimalem Einsatz verschiedener, in ihren Eigenschaften wechselnder Brenngase (Umweltschutz) liefern müssen. Dazu zählen:

- Gasturbinen und gasbeheizte Dampfturbinen
- Erdgasspeicher (Mischstationen)
- Anlagen zur Verwertung von Klär-, Bio- und Deponiegasen
- Anlagen zur Verwertung von (Müll-)Pyrolysegasen
- Raffinerien
- Chemische Industrie (Fackelgase)
- Hochofenbetriebe
- Kokereien
- Stahlwerke (Gichtgas)
- Kraftwerke
- Glas- und Porzellanwerke
- Gießereibetriebe
- Blockheizkraftwerke.

Diese Anwendungsfelder sind nur teilweise erschlossen, da die derzeitige Messtechnik zur Heizwert-/Wobbeindexbestimmung zu teuer und langsam bzw. zu ungenau ist, so dass man mit der Messung von Hilfsgrößen auskommen muss. Dieser unbefriedigenden Situation kann abgeholfen werden, wenn ein Gerät zur Messung des Heizwertes, Brennwertes, Wobbeindex' entwickelt wird, welches schneller, hinreichend genau und preiswerter als die konventionelle Technik ist. Die Grundlagen dafür bis hin zu einem Prototypen sollen mit dem beantragten Projekt geschaffen werden.
Das erfolgreichste Prinzip der Heizwert-/Wobbezahlmeßgeräte geht auf Prof. Hugo Junkers zurück, der diese Geräte u. a. in Dessau bauen ließ. Sie wurden in leicht veränderter Form nach dem Krieg bis etwa 1991 von Junkalor in Dessau hergestellt.
Der Brennwert H_o (früher oberer Heizwert) ist die Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Kubikmeters trockenen Ausgangsstoffes mit Sauerstoff frei wird, wenn die Reaktionsprodukte auf die Ausgangsbedingungen von 1013,25 mbar und 25°C zurückgeführt werden (DIN 5499, DIN 51850). Der Brennwert ist damit die volumenbezogene Reaktionsenthalpie in kJ/m³.
Bei der Verbrennung in üblichen energietechnischen Anlagen wird das verbrannte Gas nicht auf 25°C zurückgekühlt, sondern verlässt mit 80-150°C die Anlage. Daher kommt es nicht zur Kondensation des bei der Verbrennung entstandenen Wasserdampfes. Der zur Verfügung stehende Energiebetrag je Kubikmeter Brennstoff ist entsprechend geringer und wird als Heizwert H_u (früher unterer Heizwert, in kJ/m³) bezeichnet. Der Brennwert ist somit immer um die Kondensationswärme des gebildeten Wasserdampfes größer als der Heizwert.
Der Wobbeindex W ist ein Kennwert zur Bestimmung der Wärmebelastung einer Anlage. An Brennern wird der Gasdurchfluss mittels Drosseln, Düsen und Blenden dosiert und ändert sich dabei umgekehrt proportional zur Wurzel aus dem Dichteverhältnis d, dem Quotienten aus Dichte des Brenngases Bg und der Luft L:

d = ρ_Bg/ρ_L (1)
Der Wobbeindex ermittelt sich daher als Quotient aus der freigewordenen Wärme H und dem Produkt aus Volumen V des Brenngases und der Wurzel des Dichteverhältnisses:

W = H/(V.d^1/2) (2)
Vereinfacht kann mit dem Brennwert der obere und mit dem Heizwert der untere Wobbeindex bestimmt werden, indem durch die Wurzel des Dichteverhältnisses dividiert wird:

W_o = H_o/d^1/2 (3a)

W_u = H_u/d^1/2 (3b)
Der Brennwert wird als Abrechnungsmaß für die Lieferung von Brenngasen benötigt. Der Heizwert ist maßgeblich für die Bestimmung des Wirkungsgrades von energietechnischen Maschinen. Der untere Wobbeindex wird zur Steuerung der brenntechnischen Gasqualität in Mischstationen benötigt und zur Regelung gasbetriebener Maschinen.
Bei dynamischer Messung des Heizwertes/Wobbeindexes eines Volumenstroms V' wird durch Integration dieses Volumenstroms über ein bestimmtes Zeitintervall Δt ein Volumen bestimmt.
Brennwert, Heizwert und Wobbeindizes eines Gasgemisches sind mit analytischen und kalorischen Methoden zu messen.
Bei den analytischen Methoden wird entweder das Brenngas selbst oder die Verbrennungsprodukte untersucht. Bei ersteren werden die Anteile möglichst vieler brenntechnisch maßgeblichen Stoffe eines Gemisches gemessen. Typisch hierfür ist die gaschromatografische Analyse von Erdgasen. Der Messfehler liegt innerhalb 0.5-0.8% vom Messbereichsendwert. Dies sind die genauesten derzeit verfügbaren Systeme. Nachteilig ist die lange Ansprechzeit (einige Minuten), die diese Geräte für den Einsatz in Regelkreisen ungeeignet macht. Die Kosten liegen je nach Ausstattungsgrad in der Größenordnung 60-100 TDM (TDM: tausend Deutsche Mark) je Gerät.
Bei Erdgasen und anderen Alkangemischen, besteht ein direkter linearer Zusammenhang zwischen Brennwert und Sauerstoffverbrauch. Daher wird in einigen Geräten die Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung erfasst und mit der Sauerstoffkonzentration des unverbrannten Gemisches verglichen. Die Oxidation kann durch Verbrennung oder katalytisch (in Anlehnung an die Wärmetönungsmessung) erfolgen. Die Sauerstoffkonzentration wird preiswert und schnell mit handelsüblichen Lambda-Sonden (Zirkondioxid-Festelektrolyt) gemessen. Der Messfehler kann bis 2.5% vom Messbereichsendwert betragen. Diese Geräte zeigen bei sprunghafter Änderung des Brennwertes nach T₉₀ ca. 40-60 s etwa den korrekten Wert an. Sie sind daher bedingt für Regeleinrichtungen geeignet. Nicht zuletzt wegen der erforderlichen präzisen Gasmischtechnik kosten solche Meßsysteme ca. 30-60 TDM.
Kalorimeter messen freigesetzte Wärmemengen. Sie müssen in Beziehung zu dem verbrauchten Gasvolumen gesetzt werden, um die brenntechnischen Kenngrößen zu ermitteln. In sogenannten "nassen" Kalorimeter wird die Wärme an ein bekanntes flüssiges Medium übertragen. Die Erwärmung einer definierten Menge um eine bestimmte Temperaturdifferenz entspricht dann eindeutig der freigesetzten Energiemenge. Bei diesen Geräten ist auf vollständigen Temperaturausgleich vor und nach der Reaktion zu achten. Wegen dieser Ausgleichsvorgänge arbeiten die Geräte sehr langsam (T₉₀ bis zu mehreren Minuten) und meist chargenweise. Sie sind für Regelvorgänge ungeeignet. Der Messfehler kann innerhalb 0,5% vom Messbereichsendwert gehalten werden. Der Preis liegt z. B. im Bereich 100-120 TDM.
Aus der Historie sind neben obigem, von Junkers vor 1900 entworfenen Prinzip, Geräte bekannt, bei denen die Wärme an ein bekanntes, eingeschlossenes Gasvolumen abgegeben wurde, dessen Ausdehnung dann gemessen wurde (Strache). Analog gibt es die Wärmeübertragung an stehende Ölsäulen mit Auswertung von deren Ausdehnung (Sarcocalorimeter). Bereits 1906 werden Kalorimeter entwickelt, die ihre Wärme an metallische Körper abgeben, deren Temperaturänderung zur Heizwertbestimmung herangezogen wird (Gräfe, Raupp).
"Trockene" oder "Austausch"-Kalorimeter erfassen den Heizwert oder unteren Wobbeindex, indem ein bekannter Gasstrom (meist Luft) mit den Verbrennungsgasen gemischt und anschließend seine Temperaturerhöhung ΔT gemessen wird. Dazu müssen Brenngas, Verbrennungsluft und Kühlluft zuvor bei gleicher Temperatur in definiertem Verhältnis gemischt werden. Nach der Formel

Q'(m'_L + m'_Bg).c_p.ΔT (4)

wird der freigesetzte Wärmestrom Q' bestimmt (m'_L und m'_Bg: Masseströme der Luft und des Brenngases, c_p: Wärmekapazität der Luft).
Da die Zusammensetzung des Brenngases und damit auch der verbrannten Gase sowie die Feuchtigkeit der Kühlluft nicht bekannt ist, kann die Wärmekapazität nur näherungsweise bestimmt werden. In einigen Geräten wird die Luft vollständig befeuchtet. Der Messfehler dieser Geräte liegt üblich bei 1-1.5% vom Messbereichsendwert. Wegen der aufwendigen Gasmischtechnik liegen die Preise für Komplettgeräte um 60 TDM. Sie sind bedingt für Regelkreise einsetzbar, da ihre T₉₀ um 30 s liegt. Dabei gibt T_X die Zeit an, nach der X% des Endwerts erreicht sind.
Wegen der ungünstigen Eigenschaften für Regelkreise und den hohen Kosten wird derzeit weitgehend auf direkte Brennwert-/Heizwertmessung verzichtet.
Die Forschung ist gekennzeichnet von dem Bestreben, die langsamen thermischen Ausgleichsprozesse zu vermeiden und kostengünstige Lösungen anzubieten. Sie konzentriert sich zudem auf den Einsatz von Katalysatoren anstelle von Brennern. Dabei werden kleinere Gasmengen benötigt und auch Gase mit geringem Brennwert sind messbar. Zudem sind in der Katalysatortechnik in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt worden. Nachteilig ist dabei, dass Schwefelverbindungen Katalysatorgifte sind und bis zu 1.5% in Erdgasen vorkommen.
Ein anderer Ansatz beruht - wie oben unter Bezugnahme auf EP 0 187 272 A1 ausgeführt - auf der Abkühlung der Verbrennungsgase auf die Anfangstemperatur. Dies erfolgt mittels eines Peltiermodules, wobei die vom Peltiermodul benötigte elektrische Leistung unter Berücksichtigung der Umgebungstemperaturen als Maß für den abgeführten Wärmestrom dient. Dieser wird mit dem Gasstrom zum Brennwert verrechnet. Ungünstig dürfte sich die starke Abhängigkeit der Wärmetransportleistung von Peltiermodulen von der Umgebungstemperatur und der Temperaturdifferenz sowie ihre innere thermische Trägheit auswirken. Jedenfalls sind derartige Geräte auch kommerziell nicht erhältlich.
Breiten Raum nimmt der Einsatz von Zirkondioxidsonden ein, wobei es um Modifikationen des oben beschriebenen Verfahrens geht. Jedoch ist es nicht gelungen, die aufwendige präzise Gasmischtechnik zu vereinfachen oder den prinzipiellen Nachteil der Beschränkung auf Erdgas zu beseitigen.
Speziell für Erdgase wird ein Verfahren beschrieben, welches die linearen Zusammenhänge zwischen Wärmekapazität, Viskosität und Dichte einerseits und dem Brennwert andererseits ausnutzt. Über eine Kombination eines Laminarströmungsfühlers mit einem thermischen Massestromdurchflußmesser, deren Einbindung in einen mehrschleifigen Regelkreis zur Beeinflussung der Volumen- und Massenströme wird der Brennwert zu einer Funktion der Druckdifferenz in der Messanordnung. Sie ist vor allem interessant, weil sie ohne Verbrennung und mit sehr kleinen Gasströmen auskommt. Sie ist vergleichsweise sehr preiswert ausführbar, allerdings dürften die Fehlergrenzen der Strömungsfühler sich nachteilig auf die Messgenauigkeit der Gesamtanordnung auswirken.
Insgesamt ist festzustellen, dass die klassische Kalorimetrie nach Junkers und die Gaschromatographie die kleinsten Fehlergrenzen aufweisen, jedoch sehr langsam reagieren und sehr kostenintensiv sind. Nur verbrennende Verfahren und die Gaschromatographie sind derzeit sowohl für alle brennbaren Gase wie auch über lange Zeit einsetzbar. Katalytische Verfahren sind von der Spezifik des Katalysators und dem Gehalt an Katalysatorgiften im Brenngas abhängig. Verfahren, die den Sauerstoffverbrauch bei der Reaktion oder thermodynamische Eigenschaften des Brenngases nutzen, sind nur für Erdgase bzw. Alkangemische anwendbar. Auch sie sind relativ teuer und meist zu langsam, um zur Anlagensteuerung eingesetzt zu werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein schnelles Verfahren zur Messung von Wobbeindex, Heiz- oder Brennwert und eine Vorrichtung hierfür anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Patentansprüche 1 und 5 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Unabhängig von der Gasart einsetzbare Verfahren basieren auf der Wärmemengen- oder Wärmestrommessung im Zusammenhang mit einer vollständigen Oxidation oder auf einer kompletten Analyse aller eventuell enthaltenen brennbaren Bestandteile. Letzteres ist praktisch nur mittels Gaschromatographie möglich. Diese ist zu langsam und zu teuer. Oxidative Verfahren, die den Sauerstoffverbrauch erfassen, scheiden aus, da sie nur auf Alkangemische und Erdgas anwendbar sind. Nichtoxidative thermodynamische Verfahren sind aus demselben Grund nicht anwendbar. Die klassischen trockenen und nassen Kalorimeter können wegen der oben dargestellten prinzipiellen Eigenschaften nicht in Richtung Forderungskatalog weiterentwickelt werden. Als Gedanke bleibt jedoch, dass der Fehler bei nassen Kalorimetern deshalb so gering ist, weil die Wärme an eine bekannte Flüssigkeit übertragen und daher über die Temperaturdifferenz eindeutig bestimmbar ist.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Fig. 1 näher erläutert.
Die Forderung nach schneller Messung ist gleichbedeutend mit kontinuierlicher Messung. Damit kann nicht die Wärmemenge einer Probe erfasst werden, sondern es interessiert der von einem Probestrom hervorgerufene Wärmestrom. Klassisch wird dieser Wärmestrom ausgelegt als Stoffstrom, der Wärme aufnimmt, also ein Wärmetransport. Im beantragten Projekt soll auf die wärmetransportierenden Stoffströme weitgehend verzichtet werden. Es wird ein fester Stoff verwendet und der Wärmestrom infolge von Wärmeleitung betrachtet. Diese wird beschrieben durch:
Dabei ist Q' der Wärmestrom, der durch ein Stoffelement mit dem Wärmeleitkoeffizienten λ und mit der Querschnittsfläche A senkrecht zur Wärmeleitungsrichtung über die Entfernung δbei der Temperaturdifferenz ΔT geleitet wird. Daneben muss noch die Abhängigkeit von λ und δ von der Temperatur beachtet werden. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Das zu untersuchende Brenngas, die Verbrennungsluft sowie die Kühlluft treten durch eine Thermostatisierung sowie Druck- und (Volumen-)Durchflussregelung ein (konventionell erhältliche Bauteile). Verbrennungsluft und Brenngas werden in einer Mischkammer vermischt und dann der Brennzone zugeführt. Dort tritt auch die Kühlluft hinzu, um eine übermäßige Erhitzung der umgebenden Teile sowie Kondensation des entstehenden Wasserdampfes zu vermeiden (die gemischte Luft hat eine verminderte relative Feuchte - Stand der Technik). Ein statischer Mischer sorgt für die homogene Vermischung und gleichmäßige Temperatur der gemischten Gasströme. Danach durchströmen die Gase einen Wärmesammler. Er besteht aus einem gut wärmeleitenden Metall, z. B. Kupfer, Silber, Aluminium, und ist massearm ausgeführt (als Gitter, grobporös oder gefingert, gerippt). So wird die schnelle Ableitung der Wärme ohne zeitintensive Speichervorgänge erreicht.
Vor und nach dem Wärmesammler sind im Abgasstrom Temperaturfühler angeordnet. Vom Wärmesammler geht ein metallischer, gut wärmeleitender, wenig wärmespeichernder Wärmeleiter zu einem Wärmeverteiler (Wärmesenke). Dieser verteilt den ankommenden Wärmestrom über die Oberfläche eines Peltierelementes, welches die Wärme dann über Kühlprofil und Lüfter an die Umgebung abgibt. Im Wärmeleiter sind in definiertem Abstand zwei Temperatursensoren angebracht, einer nahe dem Wärmesammler, der andere nahe dem Wärmeverteiler.
Diese Anordnung orientiert sich noch stark an konventionellen Heizwertmessgeräten. Sie kann optimiert werden (s. u.). Ansätze dazu liefert eine erste, grobe Modellierung:
Das Gas-Luft-Gemisch tritt auf T₀ = 25°C (als Bezugstemperatur für die Definition des Brennwertes) thermostatisiert in den Brennerraum ein. Nach der Verbrennung und Verwirbelung, die adiabat erfolgen soll, hat das Gemisch die Temperatur T1, die durch den Temperatursensor 1 erfasst wird. Definitionsgemäß ergibt sich der dem Heizwert zugrunde liegende Wärmestrom Q'_H zu:

Q'_H = m'.c_p.(T₁-T₀) (6)
Dabei ist m' der Massestrom des Verbrennungsgas-Luft-Gemisches und c_p dessen Wärmekapazität bei konstantem Druck. Beide Größen sind nicht bekannt, da ein Volumenstrom unbekannter Zusammensetzung in die Anordnung eintritt. Im Wärmesammler wird der Gasstrom teilweise gekühlt und zwar bis auf die am Temperaturfühler 2 gemessene Temperatur T2, die oberhalb des Taupunktes liegt. Damit wird ein Wärmestrom Q'_WS abgegeben:

Q'_WS = m'.c_p.(T₁-T₂) (7)
Dieser Wärmestrom fließt im Wärmeleiter zum Peltierelement hin. Zwischen den beiden im Wärmeleiter angebrachten Temperaturfühlern 3 und 4 entsteht eine Temperaturdifferenz, aus der sich mit dem bekannten Wärmeleitkoeffizienten λ, der Länge δ und dem Querschnitt A des Wärmeleiters der darin fließende Wärmestrom Q'_WL ergibt:
Bei idealer Isolierung (keine Wärmeverluste an die Umgebung) und im stationären Fall (keine Wärmespeichereffekte) gilt:
In (9) werden (7) und (8) eingesetzt, und die unbekannten Daten (Massestrom, Wärmekapazität) des Gasstromes ergeben sich zu:
Eingesetzt in (6) erhält man den gesuchten Wärmestrom:
Mit dem zudosierten Volumenstrom V' des Brenngases erhält man nun den Heizwert:
Da Volumenstrom V', Gaseintrittstemperatur 10 und Wärmeleitertemperatur T₄ durch eigene Regelkreise konstant gehalten werden, wird der Heizwert durch die drei Temperaturen T₁, T₂ und T₃ bestimmt. Mit (11) und (12) und Zusammenfassung der konstanten Größen λ, δ, A, V' zu einem Gerätefaktor erhält man:
Wenn man z. B. durch eine Infrarotanalyse den Wasserdampfgehalt des Gasgemisches vor und nach der Verbrennung ermittelt, ist zusätzlich der Brennwert bestimmbar. Wird statt des Volumenstromes das Produkt V'd^S(vgl. (1)) konstant gehalten so erhält man statt des Heizwertes die untere Wobbezahl und analog zum Brennwert die obere Wobbezahl.
Nimmt man an, dass der Fehler der notwendigen Temperaturmessungen je auf 0.1 K begrenzt werden kann, so liegt der Fehler des berechneten Heizwertes mit T₀ = 25°C, T₁ = 200°C, T₂ = 100°C, T₃ = 100°C, T₄ = 50°C bei ca. 0.7%. Er kann verringert werden, wenn insgesamt mit großen Temperaturdifferenzen gearbeitet wird. Ein Gesamtfehler von maximal 1% erscheint möglich.
Die vorgestellte Methode hat gegenüber den konventionellen trockenen Heizwertmessgeräten den Vorteil, dass sie nicht mit der unbekannten Wärmekapazität des Gasstromes arbeitet, sondern mit den sehr gut handhabbaren Größen des bekannten, nicht veränderlichen Wärmeleiters. Gegenüber den nassen Kalorimetern besteht der Vorteil darin, dass keine langwierigen Temperaturausgleichsvorgänge abgewartet werden müssen, die Methode arbeitet dynamisch. Aus der vereinfachten Modellierung ist erkennbar, dass der Luftstrom nicht direkt in die Berechnungen einfließt, möglicherweise also grob und damit preiswert geregelt werden kann. In einem Prinzipversuch mit einer elektrischen Heizwicklung und einem Kupferdraht als Wärmeleiter ergab sich eine Totzeit des Systems von 1 s und eine T₉₀ von 20 s. Es zeigte eindeutig Veränderungen der zugeführten Heizleistung von ca. 40 mW an.
Aus dem Vergleich mit der konventionellen Technik, der Modellierung und den Ergebnissen des Prinzipversuchs kann abgeschätzt werden, dass die technischen Parameter des Forderungskatalogs erreichbar sind. Damit würde der Stand der Technik deutlich übertroffen. Es ist ebenfalls mit einem Preisvorteil gegenüber den eingeführten Geräten zu rechnen (durch vereinfachte Luftdosierung).

Zu Ausführungsformen des Brenners

Der Katalysator hat den Vorteil der niedrigen Temperatur, unterliegt jedoch häufig einer Alterung und oxidiert nicht alle Gasbestandteile gleich gut. Er muss vorgeheizt werden, diese Heizleistung muss später berücksichtigt werden. Es sind dafür auch solche Gase bewertbar, die nur Spuren von brennbaren Bestandteilen enthalten und einer Verbrennung zugemischt werden.
Im Brenner werden alle Stoffe gleichermaßen oxidiert, jedoch muss genügend Brennstoff enthalten sein, um die Flamme zu erhalten. Man benötigt eine Zündeinrichtung und eine Flammüberwachung. Zudem muss die Gasmischung so erfolgen, dass keine explosiblen Gemische auftreten können. Mit vorhandenem Gerät werden die Verbrennungsprodukte hinsichtlich unverbrannter Bestandteile untersucht.

Messung des Wasserdampfgehaltes vor und nach der Oxidation

Die klassische Methode mit Befeuchtung der Frischgase und Kondensation nach der Verbrennung ist zu aufwendig (Betriebsmittel Wasser erforderlich, Platzbedarf). Hierzu kann eine Infrarotoptik eingesetzt werden. Sie arbeitet schnell und zuverlässig. Aus dem unterschiedlichen Gehalt an Wasserdampf wird die bei der Oxidation gebildete Wassermenge bestimmt. Daraus ist mit der bekannten Kondensationsenthalpie, dem dosierten Volumenstrom und dem gemessenen Heizwert der Brennwert bestimmbar.

Gewährleistung der Flammstabilität bei schwankender Gasqualität

Für das Messverfahren sind zwei Varianten zur Oxidation des Brenngases vorgesehen:

a) Verbrennung mit offener Flamme (zunächst bevorzugt)
b) katalytische Umsetzung.

Tatsächlich könnte es bei Variante a) bei sehr schlechter Gasqualität (sehr niedriger Heizwert) zu einem Verlöschen der Flamme kommen. Aus diesem Grund wird Variante a) nur dann eingesetzt, wenn es um die Messung des Brennwertes von echten Brenngasen (Erdgas, Stadtgas) geht. Hierbei schwankt zwar auch die Gasqualität, aber ein Verlöschen der Flamme kann ausgeschlossen werden. Die weiter strömende Verbrennungsluft spült den Brennraum aus, so dass keine Anreicherung des Brenngases erfolgt. Zusätzlich kann bei selbstverlöschender Flamme die Zündautomatik gesperrt werden, so dass eine Explosion sicher verhindert wird. Die Düse für den Eintritt des Brenngases in die Brennkammer muss ohnehin so gestaltet sein, dass ein Flammrückschlag in die Brenngaszuleitung unmöglich ist. Weiterhin ist am Austritt der Verbrennungsgase aus dem Gerät eine Flammsperre vorzusehen. Diese Funktion kann möglicherweise von dem entsprechend gestalteten Wärmesammler übernommen werden.
Für Gase mit niedrigem und schwankendem Brennwert (Deponiegase, verschiedene Lösemitteldämpfe enthaltende Abgase) ist Variante b) zu verwenden, wobei trotzdem die zuvor beschriebenen Sicherheitseinrichtungen zu verwenden sind.
Die Vermeidung von Explosionen bzw. das Verhindern des Austritts von Flammen ist in konventionellen Gaskalorimetern erfolgreich realisiert und Stand der Technik.
Die Wärmesenke muss nicht mittels eines Peltiermodules realisiert werden. Im einfachsten Fall genügt ein Kühlblech/Kühlrippe einfach gegen die Umgebung ohne weitere Zusätze. Man verschenkt hierbei zwar einige Vorteile bezüglich Wärmespeichereffekten und stationärer Arbeitsweise, kann aber Kosten sparen (low cost Ausführung für verminderte Messgenauigkeit).
Prinzipiell kann auch ein Kühlaggregat (Minikühlschrank) an der Wärmesenke angebaut werden, jedoch sind die Kosten beträchtlich und für die geringen abzuführenden Wärmeströme überdimensioniert.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass mit sehr geringen Brenngasströmen gearbeitet werden kann z. B. um 0,5 l/h. In Versuchen wurden Änderungen der Heizleistung von 40 mW signifikant und reproduzierbar gemessen. Bezugszeichenliste 1 Lufteintritt
2 Gaseintritt
3 Kühl- und Heizthermostat
4 Peltiermodul
5 Kühlprofil
6 Lüfter
7, 8 Druck- und Flussregelung
9 Kühlluft
10 Mischkammer
11 Flamme
12 Zündeinrichtung und Flammenüberwachung
13 statischer Mischer
14 Temperaturfühler 1
15 wärmeisoliertes Kaminrohr
16 Wärmesammler
17 Abgasaustritt
18 Temperaturfühler 2
19 Temperaturfühler 3
20 Temperaturfühler 4
21 Thermostat mit Wärmeverteiler
22 Peltiermodul
23 Kühlprofil
24 Lüfter
25 Wärmeleiter

Claims

1. Verfahren zur Messung von Wobbeindex, Heiz- oder Brennwert mit den Schritten:
Zuführen eines Gemisches von Luft und Gas;
Verbrennen des Gemisches;
Kühlen des Gemisches nach der Verbrennung
gekennzeichnet durch die Schritte:
Messen der Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gasgemischs nach der Kühlung gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Kühlung abgeführte Wärmestrom gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom aufgrund der Messung einer Temperaturdifferenz an einem bekannten Wärmewiderstand berechnet wird.

5. Vorrichtung zur Messung von Wobbeindex, Heiz- oder Brennwert, mit:
einer Mischeinrichtung zur Mischung eines brennbaren Gases mit Luft;
einem Oxidationsbereich;
einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Gemisches nach der Verbrennung;
gekennzeichnet durch
einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung.