DE102005007991A1

DE102005007991A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen von Verschmutzungen in Fluid-durchströmten Leitungen

Info

Publication number: DE102005007991A1
Application number: DE102005007991A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Altfeld; Dieter Dipl.-Ing. Wolf; Heinz Kröner; Manfred Dr.-Ing. Hoppe
Original assignee: EOn Ruhrgas AG
Current assignee: Open Grid Europe GmbH
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Die Vorrichtung weist einen Wärmetauscherkörper (1), der an der Außenseite mit Ausnehmungen (14) zur Aufnahme von Schmutzablagerungen versehen ist, Mittel zum Beheizen des Wärmetauscherkörpers und Mittel zum Messen der Temperatur des Wärmetauscherkörpers auf. Zum Erfassen von Verschmutzungen in Fluid-durchströmten Leitungen wird der Wärmetauscherkörper (1) derart in der Fluid-Leitung angeordnet, daß er der Fluid-Strömung ausgesetzt ist. Der Wärmetauscherkörper wird beheizt, und eine Kalibrierungskurve wird unter Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Fluiddrucks in der Fluid-Leitung aufgenommen, um die Wärmeübergangsbedingungen im unverschmutzten Wärmetauscherkörper zu bestimmen. Danach werden die Wärmeübergangsbedingungen im Wärmetauscherkörper durch betriebliche Messung von Abweichungen von der zuvor aufgenommenen Kalibrierungskurve überwacht.

Description

Die Meßgenauigkeit von Anlagen der Großgasmengenmessung hat eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung. Selbst kleine Abweichungen der Meßgenauigkeit können erhebliche ökonomische Auswirkungen haben. Daher ist eine dauerhafte Minimierung von Meßfehlern ein wichtiges Ziel der Anlagenüberwachung.

Die Meßgenauigkeit bei der Gasmengenmessung wird in erheblichem Umfang von Verschmutzungen an den von der Gasströmung erfaßten Oberflächen beeinträchtigt. Diese Verschmutzungen bestehen in der Regel aus Staubpartikeln und flüssigen bzw. pastösen Bestandteilen, wie Öl und Kondensat, die sich zu einem Schmutzbelag an den von der Strömung erfaßten Oberflächen verbinden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Meßgenauigkeit bei der Fluid-, insbesondere der Gasmengenmessung unter Berücksichtigung von Verschmutzungseinflüssen zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen von Verschmutzungen in Fluid-durchströmten Leitungen vor, wobei

a) ein Wärmetauscherkörper derart in der Fluidleitung montiert wird, daß er der Fluidströmung ausgesetzt ist;
b) der Wärmetauscherkörper beheizt wird;
c) eine Kalibrierungskurve unter Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Fluiddrucks in der Fluidleitung aufgenommen wird, um die Wärmeübergangsbedingungen im unverschmutzten Wärmetauscherkörper zu bestimmen; und
d) die Wärmeübergangsbedingungen im Wärmetauscherkörper durch betriebliche Messung von Abweichungen von der Kalibrierungskurve überwacht werden.

Bei dieser Lösung geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß sich die Wärmeübergangsparameter des Wärmetauscherkörpers mit zunehmender Verschmutzung und Ablagerung einer Belagschicht auf den der Fluidströmung ausgesetzten Wärmetauscherflächen ändern, und zwar analog zu der unerwünschten Verfälschung der Gasmengenmessung. Die Änderung der wärmeübergangsparameter mit zunehmender Verschmutzung wird durch Vergleich der Kalibrierungskurve mit den betrieblichen Messungen erfaßt. Die Kalibrierungskurve wird in unverschmutztem Zustand des Wärmetauscherkörpers aufgenommen. Mit zunehmender betrieblicher Verschmutzung der Außenflächen des Wärmetauscherkörpers wird der von dem Fluid, insbesondere dem Gas, umspülte Wärmetauscherkörper im Vergleich zu den Werten der Kalibrierungskurve weniger stark gekühlt, so daß die Temperatur des Wärmetauscherkörpers bei gleicher Heizleistung zunimmt.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Temperaturen des Wärmetauscherkörpers sowohl bei der Aufnahme der Kalibrierungskurve als auch während der betrieblichen Messung erfaßt werden und die Temperaturdifferenz als Maß für die zu erfassende Verschmutzung verwendet wird. Die Gasmengenmessung wird dann in Abhängigkeit von der erfaßten Temperaturdifferenz am Wärmetauscherkörper in geeigneter Weise korrigiert.

In einer alternativen Verfahrensführung ist vorgesehen, daß die Temperatur des Fluids in der Nähe des Wärmetauscherkörpers und die Temperatur des Wärmetauscherkörpers während der betrieblichen Messung erfaßt und verglichen werden, die Temperaturdifferenz im wesentlichen konstant gehalten wird und daß die in den Wärmetauscherkörper eingebrachte Heizleistung gemessen und als Maß für den Verschmutzungsgrad der Fluidleitung verwendet wird. Bei dieser Verfahrensführung nimmt die in dem Wärmetauscherkörper eingeführte Heizleistung mit zunehmendem Verschmutzungsgrad ab, da die Kühlwirkung des Fluids bzw. Gases nachläßt.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt die Kenntnis der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasdruckes voraus, da auch diese Parameter die Wärmeübergangsbedingungen wesentlich beeinflussen. Die Erfindung ist daher vor allem für größere Meßanlagen vorgesehen, an denen die Meßwerte für den Durchfluß und den Druck ohnehin zur Verfügung stehen.

Die Vorrichtung zum Erfassen von Verschmutzungen in Fluiddurchströmten Leitungen ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
einen Wärmetauscherkörper, der an der Außenseite Ausnehmungen zur Aufnahme von Schmutzablagerungen aufweist;
Mittel zum Beheizen des Wärmetauscherkörpers; und
Mittel zum Messen der Temperatur des Wärmetauscherkörpers.

In Weiterbildung dieser Vorrichtung ist der Wärmetauscherkörper als im wesentlichen zylindrischer Körper mit umlaufenden Rippen versehen, zwischen denen die Ausnehmungen in Form von Ringnuten gebildet sind.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine perspektivische Ansicht auf einen Wärmetauscherkörper, der einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen von Verschmutzungen in Gas-durchströmten Leitungen zugeordnet ist; und

2 eine Axialschnittansicht durch den zylindrischen Wärmetauscherkörper gemäß 1 mit Ausnehmungen zur Aufnahme einer Heizpatrone und eines Temperaturfühlers.

In der Zeichnung ist ein im wesentlichen zylindrischer Wärmetauscherkörper gezeigt, der aus einem Basis- bzw. Anschlußabschnitt 10 und einem Rippenabschnitt 11 besteht. Der Rippenabschnitt 11 weist lamellenförmige konzentrische Rippen 12 auf, die von einem zylindrischen Schaftteil 13 radial nach außen vorstehen. Zwischen den Rippen 12 sind ringnutförmige Ausnehmungen 14 angeordnet, die nach Art von Taschen zur Aufnahme von Verschmutzungsfilmen oder -belägen vorgesehen sind. Von der bodenseitigen Stirnfläche 15 gehen zwei achsparallele gestufte Sackbohrungen 16 und 17 aus. Die erste Sackbohrung 16 dient zur Aufnahme einer in der Zeichnung nicht dargestellten Heizpatrone. Die zweite Sackbohrung 17 endet kurz vor der freien Stirnfläche 18 des Rippenabschnitts. Die zweite Sackbohrung 17 dient zur Aufnahme eines Temperaturfühlers, der die Schafttemperatur in dem der ersten Sackbohrung 16 entfernt gelegenen verengten Bohrungsabschnitt 27 erfaßt. Der relativ große Axialabstand zwischen dem Fühlerabschnitt 27 und der Heizpatrone in der ersten Sackbohrung 17 sorgt für einen ausreichenden Temperaturgradienten zwischen der Beheizung und der wirksamen Fühlerfläche.
Der Wärmetauscherkörper 1 ist an geeigneter Stelle in die Gasleitung derart eingebaut, daß die Gasströmung die parallelen Ringnuten quer zur Zentralachse des zylindrischen Wärmetauscherkörpers durchströmt. Um die Störung der Strömung durch den in letzterer eintauchenden Wärmetauscherkörper für die nachgeschaltete, in der Zeichnung nicht dargestellte Volumenmeßeinrichtung zu minimieren, ist die Größe des Wärmetauscherkörpers 1 klein im Vergleich zum Rohrdurchmesser.
Zur Vorbereitung der Erfassung des Verschmutzungsgrades, d. h. der Ablagerung von Verschmutzungsfilmen, vor allem in den radialen Ringnuten 14 wird eine Kalibrierkurve der Temperatur in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasdruckes im unverschmutzten Zustand des Körpers 1 aufgenommen. Mit zunehmender Verschmutzung nimmt der Wärmeübergang zwischen dem die Ringnuten durchströmenden Gas und dem Material des Wärmetauscherkörpers 1 ab. Der Wärmetauscherkörper wird dementsprechend weniger gekühlt, so daß der Temperaturfühler im engen Sackbohrungsabschnitt 27 bei gleicher Heizleistung eine höhere Temperatur erfaßt. Die Temperaturzunahme gegenüber der Kalibrierungstemperatur ist daher ein Maß für die Verschmutzungszunahme.
In alternativer Verfahrensweise kann die Fühlertemperatur konstant gehalten werden und die Heizleistung entsprechend der Verschmutzung reduziert werden.
Die Erfassung der Meßwerte für den Durchfluß und den Druck kann in herkömmlicher Weise erfolgen; die daraus gewonnene Gasmengenmessung wird in Abhängigkeit von der sich ändernden Heizleistung oder der Temperaturzunahme im Bereich des Sackbohrungsabschnitts 27 korrigiert.
Der Wärmetauscherkörper besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise aus Aluminium.
Die Erfindung ist aber nicht auf den zylindrischen Rippenkörper als Wärmetauscherkörper beschränkt. Es sind andere Konfigurationen des Wärmetauscherkörpers möglich, insbesondere solche, die eine für die Schmutzablagerung geeignetes Profil haben und einen geringen Strömungswiderstand hervorrufen. Als thermischer Sensor eignet sich auch ein mit Ablagerungstaschen versehenes Sensorchip, dessen Sensorabschnitt den Verschmutzungsgrad thermisch erfaßt und in geeigneter weise beheizbar ist.

Claims

Verfahren zum Erfassen von Verschmutzungen in Fluiddurchströmten Leitungen, wobei a) ein Wärmetauscherkörper derart in der Fluidleitung montiert wird, daß er der Fluidströmung ausgesetzt ist; b) der Wärmetauscherkörper beheizt wird; c) eine Kalibrierungskurve unter Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Fluiddrucks in der Fluidleitung aufgenommen wird, um die Wärmeübergangsbedingungen im unverschmutzten Wärmetauscherkörper zu bestimmen; und d) die Wärmeübergangsbedingungen im Wärmetauscherkörper durch betriebliche Messung von Abweichungen von der Kalibrierungskurve überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen des Wärmetauscherkörpers sowohl bei der Aufnahme der Kalibrierungskurve als auch während der betrieblichen Messung erfaßt werden und die Temperaturdifferenz als Maß für die zu erfassende Verschmutzung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Fluids in der Nähe des Wärmetauscherkörpers und die Temperatur des Wärmetauscherkörpers während der betrieblichen Messung erfaßt und verglichen werden und die Temperaturdifferenz im wesentlichen konstant gehalten wird, und daß die in den Wärmetauscherkörper eingebrachte Heizleistung gemessen und als Maß für den Verschmutzungsgrad der Fluidleitung verwendet wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Anlagen für die Großgasmengenmessung.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Strömung hineinragende Wärmetauscherkörper klein gewählt wird relativ zum Durchmesser der Gasleitung, so daß eine dem Wärmetauscherkörper nachgeschaltete Volumenmeßeinrichtung im wesentlichen ungestört bleibt.
Vorrichtung zum Erfassen von Verschmutzungen in Fluiddurchströmten Leitungen, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscherkörper (1), der an der Außenseite Ausnehmungen (14) zur Aufnahme von Schmutzablagerungen aufweist; Mittel zum Beheizen des Wärmetauscherkörpers; und Mittel zum Messen der Temperatur des Wärmetauscherkörpers.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkörper (1) mit konzentrischen Rippen (12) versehen ist, zwischen denen Ringnuten (14) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkörper (1) einen als Vollkörper ausgebildeten Basisabschnitt und einem aus einem axialen Schaft mit lamellenförmigen umlaufenden Kühlrippen (12) versehenen Rippenabschnitt (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkörper (1) eine erste Bohrung (16) zur Aufnahme einer Heizpatrone und eine zweite Bohrung (17) zur Aufnahme eines Temperaturfühlers aufweist.