DE102006042618A1

DE102006042618A1 - Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und Brennwertmessgerät

Info

Publication number: DE102006042618A1
Application number: DE200610042618
Authority: DE
Inventors: Johannes Lerchner; Hans-Jürgen Schneider; Gert Wolf
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: WO2008028453A1; DE102006042618B4; DE112007002705A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und ein Brennwertmessgerät. Die Aufgabe besteht darin, eine Minimierung der Verbrennungswärmeleistung bei vollständigem Stoffumsatz und hinreichender Stabilität der Flamme bezüglich Schwankungen der Gaszusammensetzung und des Volumenstroms zu gewährleisten. Die Lösung wird mit folgenden Schritten durchgeführt: - Einleitung eines Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemischs durch eine dünne Brennerkapillare (4) in eine miniaturisierte Mikrobrennkammer (3), - Auslösung des Brennvorgangs durch Zündung und Erzeugung einer Wärmeleistung, - Leitung der bei der Verbrennung generierte Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen (6, 7) in eine temperaturgeregelte Wärmesenke (12, 13) und - Ermittlung des Brennwertes des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und ein Brennwertmessgerät.
Das Verfahren ist nicht nur zur Bestimmung des Brennwertes reiner Erdgase vorgesehen, sondern auch für Biogase oder Brenngase mit dominierendem Wasserstoff- und Propananteil. Ziel der Kalorimeterie ist die Ermittlung thermodynamischer Eigenschaften von Stoffen über die Messung von Wärme. Wärme als Energieform tritt nur bei ihrer Übertragung in Form von Wärmeströmen in Erscheinung. Wärmeströme sind stets mit einer Temperaturdifferenz verknüpft. Wärme wird in Kalorimetern über eine Temperaturdifferenz oder durch Kompensation des thermischen Effektes gemessen. Kalorimeter sind abgeschlossene thermodynamische Systeme.
Bei der Messung des Brennwertes eines Gases wird nicht nur die entstehende Wärme aus der Verbrennung des zu untersuchenden Gases, sondern es kann auch der Wärmeinhalt der bei der Verbrennung entstehenden Abgase, z.B. Wasserdampf mit erfasst werden.
Erdgase weisen auf Grund ihrer Herkunft unterschiedliche Zusammensetzungen auf, wobei der Brennwert in einem Bereich von 33 bis 42 MJ/m³ je nach Erdgasfördergebiet liegt. Um Veränderungen in gasanwendungstechnischen Produktionsprozessen analysieren zu können, ist die Kenntnis des Brennwertes von zentraler Bedeutung.
Bei zahlreichen Prozessen, z.B. in der Keramik-, Ziegel- und Glasindustrie oder in Großbäckereien, ist eine gleich bleibende Wärmeversorgung unerlässlich.
Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Bestimmung des Brennwertes von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung in der Druckschrift DE 101 29 065 A1 beschrieben, wobei

– ein konstanter Brenngasstrom mit Luftüberschuss in einer dafür geeigneten Apparatur vollständig verbrannt wird, mit einem konstanten, temperierten Zusatzluftstrom die Abgastemperatur in bestimmten Grenzen variabel einstellbar ist,
– ein Teil der erzeugten Wärme über einen gekühlten Wärmeleitstab aus dem Abgasstrom ausgekoppelt wird,
– die Temperaturen vor der Verbrennung, vor und nach der Auskopplung eines Teils der durch die Verbrennung entstandenen Wärme über den Wärmeleitstab sowie an mindestens zwei Stellen auf oder im Wärmeleitstab gemessen werden,
– die Gerätekonstante nach Verbrennung eines Testgases mit bekannten brenntechnischen Kenndaten bestimmt wird,
– der Brennwert aus den gemessenen Temperaturen und der ermittelten Gerätekonstante abgeleitet wird und
– die erzielten Ergebnisse gespeichert und/oder dokumentiert werden.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Brennwerts ist in der Druckschrift DE 101 29 808 A1 beschrieben, wobei folgende Schritte realisiert werden.

– Zuführen eines Gemisches von Luft und Brenngas,
– Verbrennen des Gemischs,
– Kühlen des Gemischs,
– Messen der Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung,
– Messung der Temperatur des Gasgemisches nach der Kühlung.

Die Vorrichtung zur Messung des Brennwertes enthält

– eine Mischeinrichtung zur Mischung eines Brenngases mit Luft,
– einem Oxidationsbereich,
– einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Gemisches nach der Verbrennung,
– einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und ein Brennwertmessgerät anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine Minimierung der Verbrennungswärmeleistung bei vollständigem Stoffumsatz und hinreichender Stabilität der Flamme bezüglich Schwankungen der Gaszusammensetzung und des Volumenstroms gewährleistet werden.
Außerdem soll eine minimale Zeitkonstante des Kalorimeters erreicht werden, die im Einsatz begrenzte Verfügbarkeit von Hilfsgasen sowie die angestrebte Nutzung von Mikrotechniken für die Kalorimeterfertigung begründet.
Des Weiteren soll das thermische und Radikallöschung von Flammen mit Millimeter- und Submillimeterdimensionen verhindert werden. Außerdem sollen die Kosten zur Herstellung des Brennwertmessgerätes verringert werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 16 gelöst.
Das Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit wird gemäß dem Patentanspruch 1 mit folgenden Schritten durchgeführt:

– Einleitung eines Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemischs durch eine dünne Brennerkapillare in eine miniaturisierte Mikrobrennkammer,
– Auslösung des Brennvorgangs durch Zündung und Erzeugung einer Wärmeleistung,
– Leitung der bei der Verbrennung generierte Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen in eine temperaturgeregelte Wärmesenke und
– Ermittlung des Brennwertes des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung.

Die Auslösung des Brennvorgangs kann durch Funkenzündung oder durch Selbstzündung erfolgen.
Bei Realisierung einer Selbstzündung erfolgt eine Einstellung der für die Selbstzündung erforderlichen Temperatur durch eine in bzw. auf der Brennerkapillare angebrachte elektrische Heizung.
Dabei sind die Brennkammer und der Wärmeübertrager durch eine dreidimensionale AL₂O₃-Plättchenstruktur realisiert, wobei die in bzw. auf der Brennerkapillare angebrachte Heizung auch für eine absolute Wärmeleistungskalibrierung verwendet werden kann.
Bei entsprechender Brenngasgemischqualität wird eine durch die Kapillarheizungen generierte Selbstzündung möglich.
Für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen wird ein Hilfsluftstrom von Luft/Sauerstoff als Oxidationsgas in die Mikrobrennkammer eingeleitet.
Dabei wird ein Hilfsluftstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 70ml min^–1 eingestellt.
Das dynamische Verhalten der erfindungsgemäßen Detektionseinheit wird nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung durchgeführt, wobei die Zeitkonstanten für Verbrennung und elektrische Heizung nahezu übereinstimmen.
Eine Berechnung des Brennwertes kann durch die Integration mindestens eines Feuchtesensors durchgeführt werden. Der Brennwert wird unabhängig von der Gasart bestimmt.
Das Gemisch – Brenngas und Oxidationsgas – wird auf die Temperatur der Wärmesenke erwärmt.
Die Kapillarheizung kann zur elektrischen Kalibrierung der kalorimetrischen Detektionseinheit dienen.
Die Kapillarheizung kann zur Glühzündung eingesetzt werden.
Die Kapillarheizung kann zur Unterstützung der Fremdzündung eingesetzt werden.
Die Kapillarheizung kann zur Stabilisierung der Flamme eingesetzt werden.
Die kalorimetrische Detektionseinheit kann für zyklische und kontinuierliche Bestimmung des Brennwertes eingesetzt werden.
In dem Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit, nach dem Verfahren nach Anspruch 1 betrieben, ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 16 die Detektionseinheit von innen nach außen gerichtet bauelmenteanordnungsbezogen sandwichartig und weitgehend symmetrisch ausgebildet und weist folgende Baugruppen auf:

– einen planaren Kalorimeterkörper mit integrierter Mikrobrennkammer und einem darin eingebrachten Mikrobrenner, wobei die Mikrobrennkammer von einem Plättchenblock aus Keramik umgeben ist,
– zu beiden planaren Seiten des Kalorimeterkörpers den Kalorimeterkörper einfassende Thermosäulen-Anordnungen,
– zu beiden planaren Seiten der Thermosäulen-Anordnungen die Thermosäulen-Anordnungen kontaktierend umfassende Thermostatschalen, in denen sich der sandwichartig aufgebaute Kalorimeterkörper befindet,

Der Plättchenblock enthält die Mikrobrennkammer sowie Wärmeübertrager für das abströmende Gas.
Es sind Kavitäten zur Steuerung der Wärmeströme im Kalorimeterkörper angeordnet.
Die gebildete Sandwichstruktur des Kalorimeterkörpers befindet sich zwischen den beiden temperaturgeregelten und nach außen thermisch isolierten Thermostatschalen – Aluminiumschalen –, die als konstant thermostatisierte Wärmesenke zur Wärmeflussmessung dienen.
Die beiden Thermostatschalen können durch mindestens eine Verschraubung miteinander fest verbunden sein, in denen sich der Kalorimeterkörper fest gehaltert befindet.
Der Plättchenblock kann aus sieben Keramik-Plättchen bestehen, wobei jeweils drei Plättchen und symmetrisch zum ersten Plättchen – dem Zentralplättchen – in der angegebenen Reihenfolge benachbart und übereinander und kontaktierend angeordnet sind.
In dem ersten Plättchen – dem Zentralplättchen – mit einer Stärke von d = 1,0mm können die Eingangsöffnung für die Brennerkapillare, mindestens eine Zündelektrode sowie Ausgangskanäle freigeschnitten sowie ein rechteckiger Freischnitt für die Mikrobrennkammer vorhanden sein.
Das Zentralplättchen kann beidseitig durch ein zweites Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d = 0,5mm bedeckt sein, wobei die Mikrobrennkammer jeweils durch ein drittes Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d = 0,5mm oben und unten abgedeckt ist, so dass sich eine Brennkammerweite von 2mm und ein Volumen von ca. 80 μl ergibt, wobei in dem dritten Plättchen Wärmeübertragerkanäle eingearbeitet sind, die jeweils durch ein viertes Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d = 0,5mm abgedeckt sind, wobei eine in dem vierten Plättchen eingebrachte zentrale quadratische Aussparung eine zu starke lokale thermische Belastung der Planaren kontaktierenden Thermosäulen verhindert.
Zusätzlich können in den Plättchen Kanäle für ortsabhängige Temperaturmessungen eingearbeitet sein.
An den Außenkanten des Kalorimeterkörpers können Kavitäten, die laterale Wärmeflüsse und -verluste minimieren, eingearbeitet sein.
Zur Berechnung des Brennwertes kann ein Feuchtesensor, der wahlweise innerhalb oder außerhalb der Mikrobrennkammer angeordnet sein, um die Feuchte der verbrannten Abgase zu messen, vorgesehen sein.
Das Brennwertmessgerät kann mit all seinen Peripherieeinheiten, wie Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie der erfindungsgemäßen kalorimetrischen Detektionseinheit kompakt in einem 19''-Behälter kompakt integriert und somit als portables Gerät ausgebildet sein.
In der Detektionseinheit kann ein Mikrobrenner eingesetzt sein, dem folgende Elemente zugeordnet sind:

– der Mikrobrenner hat eine Brennerkapillare aus Keramik mit einem Innendurchmesser d_i von kleiner als eine bestimmte zugehörige Löschungsstrecke, um einen Flammenrückschlag zu verhindern,
– als Material der Brennerkapillare ist Aluminiumoxid Al₂O₃ wegen günstiger Wärmeleitung und erforderlicher elektrischer Isolation vorgesehen,
– als Mikrobrennkammer ist ein Reaktionsraum größer als 2mm zur Vermeidung von Löschungseffekten vorgegeben,
– dabei ist eine elektrische Kapillarenheizung zur Kompensation axialer Wärmeleistungsverluste vorgesehen und
– zur Minimierung der axialen Wärmeableitung ist eine hinreichend große Kapillarlänge 1 der Brennerkapillare vorgegeben.

Die aus Al₂O₃-Keramik bestehende Brennerkapillare kann vorzugsweise folgende Abmessungen: einen Innendurchmesser d = 0,2mm, einen Außendurchmesser d_a = 0,5mm und eine Länge l = 22mm haben.
Die Brennerkapillare kann auf der Seite des Gasaustritts mit einer radial gerichteten und bipolar gewickelten äußeren Platindrahtwicklung versehen sein.
Die Brennerkapillare kann wahlweise auf der Seite des Gasaustritts insbesondere für Brenngase mit geringerem Brennwert ei ne mit axialer im Inneren der Brennerkapillare angeordneter Heizungswicklung aufweisen.
Die Heizungswicklungen können vorzugsweise mit Keramikkleber an der keramischen Brennerkapillare fixiert und vorzugsweise mit Golddraht kontaktiert sein.
Zur Funkenzündung können sich wahlweise gegenüber der Brennerkapillare Zündelektroden befinden, die mit einem piezoelektrischen Zündgenerator bedienbar in Verbindung stehen.
Für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen kann eine Gaszuführungsleitung in die Mikrobrennkammer zur Einleitung eines Hilfsluftstromes vorgesehen sein.
Die Erfindung weist gegenüber den Detektionseinheiten bzw. Kalorimetern nach dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:

– eine absolute, von der Gasart unabhängige Kalibrierung ist möglich,
– die Messbarkeit von Gasen mit extrem kleinem Brennwert ist möglich,
– die Messung des Brennwertes ist auch mit nur sehr kleinen Brenngasmengen möglich, wobei die Mengen kleiner als 4ml/min sein können.
– das erfindungsgemäße kalorimetrische Detektionseinheit kann mit weiteren zugehörigen und angeschlossenen Einheiten als portables Messgerät ausgeführt und deshalb auch für den Feldeinsatz einsetzbar sein.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen kalorimetrischen Detektionseinheit im Längsschnitt,
2 eine vergrößerte Darstellung des Kalorimeterkörpers nach 1,
3 eine Darstellung der Heizung der Brennerkapillare, wobei in
3a die Brennerkapillare mit einer Außenheizung,
3b die Brennerkapillare mit einer Innen- und Außenheizung versehen sind,
4 Al₂O₃-Plättchen mit Temperaturmessstellen, wobei
4a ein erstes Plättchen im zentralen Bereich der Brennkammer,
4b ein zweites Plättchen,
4c ein drittes Plättchen und
4d ein viertes Plättchen in Draufsicht darstellen,
5 Heizleistungs-Temperatur-Charakteristik der Kapillarheizung für unterschiedlich lange Heizzonen,
6 Gasstrom-Arbeitsbereiche für das Zünden (A) und die Flammenstabilität (B) in Abhängigkeit von der Kapillartemperatur.
7 Kalorimetersignal für stöchiometrische Verbrennung mit
7a einem Methangasstrom v_CH4 = 3,14 ml min^–1 und
7a einem Hilfsluftstron v_HF = 75 ml min^–1,
8 Abhängigkeit des stationären Signals vom Methanstrom bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Hilfsluftstroms v_HF = 75 ml min^–1 (Anstieg 52,6 mV min ml^–1 entspricht S_CH4 = 0,0975 VW^–1)
9 Abhängigkeit des stationären Signals von der elektrischen Heizleistung (Anstieg S_el = 0,0949 VW^–1)
10 Abklingkurven zur Ermittlung der Zeitkonstanten, wobei
10a: für eine Methanverbrennung τ = 29.3 s,
10b: für eine elektrische Heizung τ = 29.1 s gelten,
11 Temperaturverteilung im Kalorimeterkörper für die Methangasverbrennung (A) in 11a und für die elektrische Heizung (B) in 11b.
Die 1 enthält in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Brennwertmessgerät, das versehen ist mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit (nicht eingezeichnet) sowie mit einer kalorimetrische Detektionseinheit 1, die von innen nach außen gerichtet bauelmenteanordnungsbezogen sandwichartig und weitgehend symmetrisch ausgebildet ist und folgende Baugruppen aufweist:

– einen planaren Kalorimeterkörper 2 mit integrierter Mikrobrennkammer 3 und einem darin eingebrachten Mikrobrenner 4, wobei die Mikrobrennkammer 3 von einem Keramikplättchenblock 5 umgeben ist,
– zu beiden planaren Seiten des Kalorimeterkörpers 2 den Kalorimeterkörper 2 einfassende Thermosäulen-Anordnungen 6, 7,
– zu beiden planaren Seiten der Thermosäulen-Anordnungen 6, 7 kontaktierend umgebenden Thermostatschalen 12, 13, in denen sich der sandwichartig aufgebaute Kalorimeterkörper 2 befindet.

Der Kalorimeterkörper 2 besteht, wie in 1 und auch in 2 (vergrößert) gezeigt ist, aus einem Al₂O₃-Plättchenblock (engl. waferstack) 5, der die Brennkammer 3 sowie Wärmeübertrager für das abströmende Gas enthält. Zusätzlich sind Kavitäten zur Steuerung der Wärmeströme im Kalorimeterkörper 2 angeordnet. Die so gebildete Sandwichstruktur befindet sich zwischen den beiden temperaturgeregelten und nach außen thermisch isolierten Thermostatschalen 12, 13 – Aluminiumschalen –, die als konstant thermostatisierte Wärmesenke für die Wärmeflussmessung dienen. Den Thermostatschalen 12, 13 können randseitig eingebrachte Temperaturmessstellen 33, 34 zugeordnet sein. Die beiden Thermostatschalen 12, 13 sind durch mindestens eine Verschraubung 32 miteinander fest verbunden, in denen sich der Kalorimeterkörper 2 fest gehaltert befindet. Durch eine Thermostatschalen 12 und/oder 13 hindurch kann eine Gaszuführung (nicht eingezeichnet) und ein Gasableitungsrohr 35 aus dem Zwischenraum 36 nach außerhalb geführt sein.
Der Al₂O₃-Plättchenblock 5 in 1 und 2 besteht aus sieben Plättchen (engl. wafer), wobei jeweils drei Plättchen 15, 16, 17 und 15', 16', 17' symmetrisch zum ersten Plättchen 14 – dem Zentralplättchen – in der angegebenen Reihenfolge benachbart und übereinander und kontaktierend angeordnet sind.
Wie in den 3: 3a. 3b, 3c und 3d gezeigt, sind in dem ersten Plättchen 14 – dem Zentralplättchen – mit einer Stärke von d = 1, Omm die Eingangsöffnung 24 für die Brennerkapillare 4, die Zündelektroden (nicht eingezeichnet) sowie die Ausgangskanäle 24, 25 freigeschnitten sowie ein rechteckiger Freischnitt für die Mikrobrennkammer 3 vorhanden. Das Zentralplättchen 14 ist beidseitig durch ein zweites Plättchen 15, 15' mit einer Stärke von d = 0,5mm bedeckt. Die Mikrobrennkammer 3 ist jeweils durch ein drittes Plättchen 16, 16' mit einer Stärke von d = 0,5mm oben und unten abgedeckt, so dass sich eine Brennkammerweite von 2mm und ein Volumen von ca. 80 μl ergibt. In dem dritten Plättchen 16, 16' sind die Wärmeübertragerkanäle 27, 28 eingearbeitet, die jeweils durch ein viertes Plättchen 17, 17' mit einer Stärke von d = 0,5mm abgedeckt sind. Die zentrale quadratische Aussparung 8 in dem vierten Plättchen 17, 17' verhindert eine zu starke lokale thermische Belastung der Thermosäulen 6, 7. Zusätzlich sind in den Plättchen 14 bis 17 uns 14' bis 17' Kanäle 29, 30, 31 für ortsabhängige Temperaturmessungen an den Temperaturmessstellen 20, 21, 22, 23 eingearbeitet.
Weiter sind an den Außenkanten Kavitäten 9, 10, 11, die laterale Wärmeflüsse und -verluste minimieren, eingearbeitet.
Um die Berechnung des Brennwertes zu ermöglichen, wird die Feuchte der verbrannten Abgase mittels eines Feuchtesensors (nicht eingezeichnet), der innerhalb oder außerhalb der Mikrobrennkammer 3 angeordnet sein kann, gemessen.
Das Kalorimeter kann mit all seinen Peripherieeinheiten, wie Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie der erfindungsgemäßen kalorimetrischen Detektionseinheit 1 kompakt in einem 19''-Behälter kompakt integriert und somit als portables Gerät ausgebildet sein.
In der Detektionseinheit 1 ist ein Mikrobrenner 18 eingesetzt, dem folgende Elemente zugeordnet sind:

– Der Mikrobrenner 18 hat, wie in 1 und 2 gezeigt ist, eine Brennerkapillare 4 aus Keramik mit einem Innendurchmesser d_i von kleiner als die Löschungsstrecke (engl. quenching distance) dq (Lit. dq ≈ 0,3mm für CH₄/O₂) versehen, um einen Flammenrückschlag zu verhindern.
– Als Material wird deshalb Aluminiumoxid Al₂O₃ wegen günstiger Wärmeleitung und erforderlicher elektrischer Isolation gewählt.
– Als Brennkammer 3 ist ein Reaktionsraum größer als 2mm zur Vermeidung von Löschungseffekten vorgegeben.
– Dabei ist eine elektrische Kapillarenheizung 19 zur Kompensation axialer Wärmeleistungsverluste vorgesehen,
– Zur Minimierung der axialen Wärmeableitung ist eine hinreichend große Kapillarlänge 1 der Brennerkapillare 4 vorgegeben.

Die aus Al₂O₃-Keramik bestehende Brennerkapillare 4 hat, wie in den 1,2 und 4 gezeigt ist, die Abmessungen: Innendurchmesser d = 0,2mm, Außendurchmesser d_a = 0,5mm und Länge l = 22mm. Zwei Ausführungen von Brennerkapillaren 41, 42, mit unterschiedlich applizierter elektrischer Heizung 191, 192 auf der Seite des Gasaustritts stehen wahlweise zur Verfügung, wie in
4 gezeigt ist. In 4a ist die Brennerkapillare 41 mit radial gerichteter und bipolar gewickelter äußerer Platindrahtwicklung 191 versehen. In 4b ist insbesondere für Brenngase mit geringerem Brennwert eine mit axialer im Inneren der Brennerkapillare 4 angeordneter Heizungswicklung 192 vorhanden. Die Heizungswicklungen 191, 192 können z.B. mit Keramikkleber an der keramischen Brennerkapillare 4 fixiert und mit Golddraht kontaktiert sein.
Zur Bestimmung der mittleren Temperatur des beheizten Kapillarbereiches wird der Widerstand des Platindrahtes in einer Vierleiterschaltung gemessen. Die Temperaturkalibrierung erfolgt extern in einem temperaturgeregelten Ofen. Die dabei ermittelte Heizleistungs-Temperatur-Charakteristik ist in 5 dargestellt. Mittels der Charakteristiken kann ein Vergleich zwischen den Abhängigkeiten für zwei unterschiedlich lange Heizzonen durchgeführt werden. Wegen der zunehmenden Strahlungsanteile ist der Temperaturverlauf nicht linear. Die räumlich stärker konzentrierte Heizung führt bei vergleichbarer Heizleistung zu höheren Temperaturen. Die Temperaturen wurden bei strömendem Brenngas bis zur Selbstzündung gemessen (V_CH4 = 3,14 ml min–1 und v_o2 = 6,3ml min–1).
In der Detektionseinheit 1 wird das folgende Verfahren realisiert, das folgende Schritte aufweist:

– Einleitung eines Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemischs durch eine dünne Brennerkapillare 4 in die miniaturisierte Mikrobrennkammer 3,
– Auslösung des Brennvorgangs durch Funkenzündung oder durch Selbstzündung und Erzeugung einer Wärmeleistung,
– Einstellung der für die Selbstzündung erforderlichen Temperatur durch eine in bzw. auf der Brennerkapillare 4 angebrachte elektrische Heizung 19, 191, 192,
– Leitung der bei der Verbrennung generierten Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen 6, 7 in eine temperaturgeregelte Wärmesenke 12, 13 und
– Ermittlung des Brennwertes des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung.

Von besonderem Interesse ist der Einfluss der Kapillartemperatur auf das Zündverhalten und die Flammenstabilität. Dazu werden in Abhängigkeit von der Kapillartemperatur die oberen und unteren Grenzen für einen stöchiometrischen Methan-Sauerstoff-Brenngasstrom bestimmt, wie in 6 gezeigt ist. Das Beheizen der Brennerkapillare 4 führt sowohl zu verbesserter Zündfähigkeit als auch zu seiner Stabilisierung bei niedrigen Brenngasströmen. Weniger ausgeprägt ist der Einfluss auf die obere Grenze des Brenngasstromes. Für die Anwendung ist es sehr wesentlich, dass die erforderlichen elektrischen Heizleistungen im Bereich der Verbrennungswärmeleistung liegen, so dass auch eine Offset-Heizung z.B. bei schwer brennbaren Gasgemischen möglich ist. Die Kapillarenheizungen 19, 191, 192 können zusätzlich für eine kalorimetrische Kalibrierung verwendet werden.
Für eine Funkenzündung können sich gegenüber der Brennerkapillare 4 Zündelektroden (nicht eingezeichnet) befinden, die mittels eines piezoelektrischen Zündgenerators bedient werden können.
Bei entsprechender Brenngasgemischqualität ist eine durch die Kapillarheizungen 19, 191, 192 generierte Selbstzündung möglich.
Für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen ist ein Hilfsluftstrom in die Mikrobrennkammer 3 erforderlich.
Für den Betrieb der Detektionseinheit 1 ist ein Hilfsluftstrom vorgesehen. Der Hilfsluftstrom ist sowohl für das ungestörte Zünden, insbesondere zur Verhinderung von Verpuffungen, aber auch für die Stabilität der Flamme erforderlich. Um ein Verpuffen beim Zünden zu verhindern, muss ein Hilfsluftstrom von 70ml min^–1 eingestellt werden. Die Flamme wird gelöscht bei einem Hilfsluftstrom von < 35ml min^–1. Der Einfluss des Hilfsluftstromes auf das Signal beträgt ca. 0,006% (ml mim^–1)^–1
In 7 ist ein typischer Signalverlauf für das kontinuierliche Verbrennen eines stöchiometrischen Methan-Sauerstoff-Gemischs bei konstantem Gasstrom dargestellt. Das Signalrauschen beträgt ca. 30μV entsprechend 0,02% des mittleren stationären Signalwertes. Die Signaldrift von 700μV wahrend der ersten 20min nach Zündung wird wahrscheinlich durch Temperaturausgleichsvorgänge bedingt, die durch eine Unsymmetrie im Thermostaten 12, 13 hervorgerufen werden. Für eine verbesserte Geräteversion wird deshalb eine symmetrische Temperaturregelung der Wärmesenke vorgesehen. Die in Tab. 1 zusammengestellten und bei gleichem Gasstrom gemessenen stationären Signalwerte weisen eine Reproduzierbarkeit von 0,2% aus. Das Rauschen bei Signalgenerierung durch elektrisches Heizen beträgt nur 6,7μV. Die Reproduzierbarkeit gemäß Tab.2 beträgt ebenfalls 0,2%.
Tab. 1 zeigt die stationären Signalwerte für Verbrennung mit Strömungsgeschwindigkeiten von v_CH4 = 3,14 ml min^–1 für den Me thangasstrom und v_HF = 75 ml min^–1 für den Hilfsluftstrom (engl. help flow – HF). Tabelle 1:

Datum der Messung Thermosäulen-Signal in Volt

1.Tag 0.1816

2.Tag 0.1817

3.Tag 0.1823

4.Tag 0.1815

5.Tag 0.1815

6.Tag 0.182
Die Tabelle 2 zeigt die stationären Signalwerte für elektrische Heizung mit p_el = 1.874 W. Tabelle 2:

Datum der Messung Thermosäulen-Signal in Volt

1.Tag 0.1748

2.Tag 0.1747

3.Tag 0.1747

4.Tag 0.1746

5.Tag 0.1737
Die Linearität der Signale ist sowohl bei Verbrennung als auch bei stationärer Heizung besser als 0,1%, wie in 8 und 9 gezeigt ist. Wegen der kleineren Streuung der elektrisch generierten Signale ist bei den Signalen eine systematische Abweichung vom linearen Verlauf erkennbar. Aus den Anstiegen ergeben sich Empfindlichkeiten von S_CH4 = 0,0975 VW und S_el = 0,0949 VW^–1 für die Verbrennung bzw. elektrische Heizung.
Das dynamische Verhalten der Detektionseinheit 1 kann mit guter Genauigkeit nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung beschrieben werden, wie in 10: 10a, 10b gezeigt ist. Die Zeitkonstanten für Verbrennung (A) und elektrische Heizung (B) stimmen nahezu überein (τ_CH4 = 29,3 s bzw. τ_el = 29,1 s), was auf ähnliche Wärmeübertragungsverhältnisse in beiden Fällen hinweist.
Dass es doch geringe Unterschiede in der Temperaturverteilung im Kalorimeterkörper je nach Art der Wärmeleistungsgenerierung gibt, zeigen die 11: 11a, 11b. Der Temperaturanstieg bei beiden Temperaturmessestellen 21, 21' ist in beiden Fällen am größten. In der Umkehrung der Reihenfolge der Temperaturmessstellen 23, 20 und 22 macht sich die unterschiedliche laterale Position der Wärmeleistungsquellen bemerkbar.
Die Anwendung der miniaturisierten Detektionseinheit 1 wird sich auch auf Gase mit extrem kleinem Brennwert beziehen. Durch die Integration mindestens eines Feuchtesensors kann eine Berechnung des Brennwertes durchgeführt werden.
Die Erfindung eröffnet folgende Möglichkeiten:

1. Die miniaturisierte Detektionseinheit 1 ermöglicht die Messung des Brennwertes des Brenngases beim Verbraucher und kann zu einer gerechteren Abrechnung führen.
2. Es kann eine präzise Überprüfung von zahlreichen Prozessen, z.B. in der Keramikindustrie, bezüglich einer gleich bleibenden Wärmeversorgung durchgeführt werden.
3. Die Kosten eines derzeit marktgängigen Brennwertmessgerätes liegen wesentlich über den Kosten des Brennwertmessgerätes mit der erfindungsgemäßen Detektionseinheit. Durch ein preiswertes Brennwertmessgerät können auch lokale Ver sorger in die Lage versetzt werden, stark schwankende Gasqualitäten zu vermessen und zu beziehen.
4. Das Brennwertmessgerät mit der erfindungsgemäßen Detektionseinheit 1 hat den Vorteil, dass es über einen größeren Messbereich als herkömmliche Geräte, insbesondere moderne Prozessgaschromatographen, verfügt, wobei der Messbereich nur durch die Grenzen der Brennbarkeit des Gasgemisches gegeben ist. Der große Messbereich ist wiederum bei stark schwankenden Gasqualitäten von großem Vorteil.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehö rigen Detektionseinheit 1 wird hauptsächlich gesehen

– bei der Überprüfung der Brenngasqualität im gesamten Lebenszyklus von Brenngasen von der Förderung/Gewinnung über den Transport bis zur Verwendung und
– bei Brennwertbestimmungen für den Feldeinsatz.

Bezugszeichenliste

1: Detektionseinheit
2: Kalorimeterkörper
3: Mikrobrennkammer
4: Brennerkapillare
5: Keramikscheibenblock
6: Erste Thermosäulenanordnung
7: Zweite Thermosäulenanordnung
8: Aussparung
9: Erste Kavität
10: Zweite Kavität
11: Dritte Kavität
12: Erstes Thermostatteil
13: Zweites Thermostatteil
14: Erste Scheibe
15: Zweite Scheibe
16: Dritte Scheibe
17: Vierte Scheibe
18: Mikrobrenner
19: Kapillarenheizung
191: Erste Kapillarenheizung
192: Zweite Kapillarenheizung
20: Erste Temperaturmessstelle
21: Zweite Temperaturmessstelle
21': Fünfte Temperaturmessstelle
22: Dritte Temperaturmessstelle
23: Vierte Temperaturmessstelle
24: Eingangsöffnung
25: Erster Abströmkanal
26: Zweiter Abströmkanal
27: Erster Wärmeübertragerausgang
28: Zweiter Wärmeübertragerausgang
29: Erster Kanal
30: Zweiter Kanal
31: Dritter Kanal
32: Verschraubung
33: Sechste Temperaturmessstelle
34: Siebente Temperaturmessstelle
35: Gasableitungsrohr
36: Zwischenraum

Claims

Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit, mit folgenden Schritten: – Einleitung eines Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemischs durch eine dünne Brennerkapillare (4) in eine miniaturisierte Mikrobrennkammer (3), – Auslösung des Brennvorgangs durch Zündung und Erzeugung einer Wärmeleistung, – Leitung der bei der Verbrennung generierte Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen (6, 7) in eine temperaturgeregelte Wärmesenke (12, 13) und – Ermittlung des Brennwertes des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung des Brennvorgangs durch Funkenzündung oder durch Selbstzündung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der für die Selbstzündung erforderlichen Temperatur durch eine in bzw. auf der Brennerkapillare (4) angebrachte elektrische Heizung (19, 191, 192) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei entsprechender Brenngasgemischqualität eine durch die Kapillarheizungen (19, 191, 192) generierte Selbstzündung möglich wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen ein Hilfsluftstrom von Luft/Sauerstoff als Oxidationsgas in die Mikrobrennkammer (3) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsluftstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 70ml min^–1 eingestellt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Verhalten der Detektionseinheit (1) nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung durchgeführt wird, wobei die Zeitkonstanten für Verbrennung und elektrische Heizung nahezu übereinstimmen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnung des Brennwertes durch die Integration mindestens eines Feuchtesensors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennwert unabhängig von der Gasart bestimmt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch – Brenngas und Oxidationsgas – auf die Temperatur der Wärmesenke erwärmt wird.
Verwendung der Kapillarheizung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarheizung (19, 191, 192) zur elektrischen Kalibrierung der kalorimetrischen Detektionseinheit (1) dient.
Verwendung der Kapillarheizung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Glühzündung eingesetzt wird.
Verwendung der Kapillarheizung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Unterstützung der Fremdzündung eingesetzt wird.
Verwendung der Kapillarheizung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Stabilisierung der Flamme eingesetzt wird.
Verwendung der kalorimetrischen Detektionseinheit nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur zyklischen und kontinuierlichen Bestimmung des Brennwertes eingesetzt wird.
Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit, nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (1) von innen nach außen gerichtet bauelmenteanordnungsbezogen sandwichartig und weitgehend symmetrisch ausgebildet ist und folgende Baugruppen aufweist: – einen planaren Kalorimeterkörper (2) mit integrierter Mikrobrennkammer (3) und einem darin eingebrachten Mikrobrenner (4), wobei die Mikrobrennkammer (3) von einem Plättchenblock (5) aus Keramik umgeben ist, – zu beiden planaren Seiten des Kalorimeterkörpers (2) den Kalorimeterkörper (2) einfassende Thermosäulen-Anordnungen (6, 7), – zu beiden planaren Seiten der Thermosäulen-Anordnungen (6,7) die Thermosäulen-Anordnungen (6, 7) kontaktierend umfassende Thermostatschalen (12, 13), in denen sich der sandwichartig aufgebaute Kalorimeterkörper (2) befindet, wobei der Kalorimeterkörper (2) durch die Thermostatschalen (12, 13) nach außen verschließbar ist.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Plättchenblock (5) die Brennkammer (3) sowie Wärmeübertrager für das abströmende Gas enthält.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Kavitäten zur Steuerung der Wärmeströme im Kalorimeterkörper (2) angeordnet sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwichstruktur des Kalorimeterkörpers (2) sich zwischen den beiden temperaturgeregelten und nach außen thermisch isolierten Thermostatschalen (12,13) – Aluminiumschalen – befindet, die als konstant thermostatisierte Wärmesenke für die Wärmeflussmessung dienen.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Thermostatschalen (12, 13) durch mindestens eine Verschraubung (32) miteinander fest verbunden sind, in denen sich der Kalorimeterkörper (2) fest gehaltert befindet.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Plättchenblock (5) aus sieben Keramik-Plättchen besteht, wobei jeweils drei Plättchen (15, 16, 17) und (15', 16', 17') symmetrisch zum ersten Plättchen (14) – dem Zentralplättchen – in der angegebenen Reihenfolge benachbart und übereinander und kontaktierend angeordnet sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Plättchen (14) – dem Zentralplättchen – mit einer Stärke von d = 1,0mm die Eingangsöffnung (24) für die Brennerkapillare (4), mindestens eine Zündelektrode sowie Ausgangskanäle (24, 25) freigeschnitten sowie ein rechteckiger Freischnitt für die Mikrobrennkammer (3) vorhanden sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralplättchen (14) beidseitig durch ein zweites Plättchen (15, 15') mit einer Stärke von d = 0,5mm bedeckt ist, wobei die Mikrobrennkammer (3) jeweils durch ein drittes Plättchen (16, 16') mit einer Stärke von d = 0,5mm oben und unten abgedeckt ist, so dass sich eine Brennkammerweite von 2mm und ein Volumen von ca. 80 μl ergibt, wobei in dem dritten Plättchen (16, 16') Wärmeübertragerkanäle (27, 28) eingearbeitet sind, die jeweils durch ein viertes Plättchen (17, 17') mit einer Stärke von d = 0,5mm abgedeckt sind, wobei eine in dem vierten Plättchen (17, 17') eingebrachte zentrale quadratische Aussparung (8) eine zu starke lokale thermische Belastung der sich anschließenden, kontaktierenden Thermosäulen (6, 7) verhindert.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in den Plättchen (14 bis 17) und (14' bis 17') Kanäle (29, 30, 31) für ortsabhängige Temperaturmessungen eingearbeitet sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den Plättchen (14, 16, 16', 17, 17') sowie in den Thermostatschalen (12, 13) Temperaturmessstellen (20, 21, 21', 22, 23) eingebracht sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenkanten des Kalorimeterkörpers (2) Kavitäten (32, 33, 34), die laterale Wärmeflüsse und -verluste minimieren, vorhanden sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Brennwertes mindestens ein Feuchtesensor, der wahlweise innerhalb oder außerhalb der Mikrobrennkammer (3) angeordnet ist, um die Feuchte der verbrannten Abgase zu messen, vorgesehen ist.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es mit all seinen Peripherieeinheiten, wie Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie der kalorimetrischen Detektionseinheit (1) kompakt in einem 19''-Behälter kompakt integriert und somit als portables Gerät ausgebildet ist.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der Detektionseinheit (1) ein Mikrobrenner (18) eingesetzt ist, dem folgende Elemente zugeordnet sind: – der Mikrobrenner (18) hat eine Brennerkapillare (4) aus Keramik mit einem Innendurchmesser d_i von kleiner als ei ne bestimmte zugehörige Löschungsstrecke, um einen Flammenrückschlag zu verhindern, – als Material der Brennerkapillare (4) ist Aluminiumoxid Al₂O₃ wegen günstiger Wärmeleitung und erforderlicher elektrischer Isolation vorgesehen, – als Mikrobrennkammer (3) ist ein Reaktionsraum größer als 2mm zur Vermeidung von Löschungseffekten vorgegeben, – dabei ist eine elektrische Kapillarenheizung (19) zur Kompensation axialer Wärmeleistungsverluste vorgesehen und – zur Minimierung der axialen Wärmeableitung ist eine hinreichend große Kapillarlänge 1 der Brennerkapillare (4) vorgegeben.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Al₂O₃-Keramik bestehende Brennerkapillare (4) die Abmessungen: Innendurchmesser d_i = 0,2mm, Außendurchmesser d_a = 0,5mm und Länge l = 22mm hat.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerkapillare (41) auf der Seite des Gasaustritts mit einer radial gerichteten und bipolar gewickelten äußeren Platindrahtwicklung (191) versehen ist.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerkapillare (42) auf der Seite des Gasaustritts insbesondere für Brenngase mit geringerem Brennwert eine mit axialer im Inneren der Brennerkapillare (4) angeordneter Heizungswicklung (192) aufweist.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungswicklungen (191, 192) vorzugsweise mit Keramikkleber an der keramischen Brennerkapillare (4) fixiert und vorzugsweise mit Golddraht kontaktiert sind.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Funkenzündung sich wahlweise gegenüber der Brennerkapillare (4) Zündelektroden befinden, die mit einem piezoelektrischen Zündgenerator bedienbar in Verbindung stehen.
Brennwertmessgerat nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen eine Luftzuführungsleitung in die Mikrobrennkammer (3) zur Einleitung eines Hilfsluftstromes vorgesehen ist.