DE102006042618B4

DE102006042618B4 - Brennwertmessgerät für Brenngase

Info

Publication number: DE102006042618B4
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: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: WO2008028453A1; DE102006042618A1; DE112007002705A5

Abstract

Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektionseinheit (1) von innen nach außen gerichtet bauelementeanordnungsbezogen 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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit.
Das Brennwertmessgerät ist nicht nur zur Bestimmung des Brennwertes reiner Erdgase vorgesehen, sondern auch für Biogase oder Brenngase mit dominierendem Wasserstoff- und Propananteil. Ziel der Kalorimetrie 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.

Es ist ein Gaskalorimeter für absolute Messungen der Brennwärme von Erdgas in der Druckschrift Aleksandrov, Varganov, Sarge: Design and study of gas calorimeter for absolute measurements of the combustions heat of natural gas, Russian Journal of Applied Chemistry (Translation of Zhurnal Prikladnoi Khi mii), 2001, 74(9), S. 1534–1538, beschrieben, wobei in dem Gaskalorimeter ein Gasbrenner innerhalb eines Wärmeübertragers angeordnet ist. Der Wärmeübertrager ähnelt in seinem Aufbau den Brennkammern, die bereits in industriellen Gaskalorimetern eingesetzt werden. Der Wärmeübertrager ist in der Wärmezone eines Thermosiphons eingebaut und Ist in einer Arbeitsflüssigkeit in Form von Freon eingetaucht. Ein Wärmeüberwacher ist auch in Freon eingetaucht, dessen Siedetemperatur mit einem Thermometer gemessen wird, das direkt in dem Hauptteil des Wärmeübertrager-Teils platziert ist. Eine Batterie von Peltierelementen ist am gegenüberliegenden Ende des Thermosiphons angeordnet, wobei die Peltierelemente innerhalb einer speziellen hohlen Aussparung der Kondensationszone installiert sind. Die Temperatur des Wärmeübertrager-Teils wird mit einem Thermometer, dessen Signal durch einen Steuerschaltkreis ausgelöst wird, gemessen.
Um eine vollständige Nutzung der Wärme zu nutzen, die sich im Brenngas befindet und dessen Übergang mit einem minimalen Verlust in die Kondensationszone, ist ein Wärmerohr in Form eines Thermosiphons ausgebildet.
Um ein Maximum möglicher Ähnlichkeit dazwischen zu erreichen, strömt der Wärmeübertragungs-Teil aus der Verdampfungszone in die Kondensationszone in zwei Betriebs-Modi: Einen mit dem Wärmeüberwacher (engl. idle mode) und einen mit einer schaltbaren hinzufügbaren Wärmequelle. An den Peltierelementen sind jeweils Behälter angebracht, die einem wasserbetriebenen Thermostat zugeordnet sind.
Ein Verfahren zur kalorimetrischen Bestimmung des Brennwerts von brennbaren Gasen ist in der Druckschrift DE 100 10 291 A1 beschrieben, bei dem Gas mit einer vorgegebenen Gasdurchfluss rate verbrannt wird und die dabei erzeugte Wärmeleistung erfasst wird, wobei der Brennwert des Gases als Quotient von Gasdurchflussrate und Wärmeleistung berechnet wird. Die erzeugte Wärmeleistung wird als Eingangswärmeleistung kontinuierlich in die Eingangsseite eines Wärmeübertragungselements eingeleitet, und auf der Ausgangsseite des Wärmeübertragungselements kontinuierlich eine definierte Ausgangswärmeleistung abgeleitet wird, wobei mindestens ein thermischer Zustandsparameter des Wärmeübertragungselements gemessen und durch Verstellung der Eingangs- und/oder Ausgangswärmeleistung geregelt wird.
Probleme der beiden vorgenannten Kalorimeter bestehen darin, dass sie sowohl in dem vorgenannten Gaskalorimeter für absolute Messungen der Brennwärme als auch in dem vorgenannten Verfahren zur kalorimetrischen Bestimmung des Brennwerts von brennbaren Gasen zwar ebenfalls für die Brennwertbestimmung von Gasen konzipiert sind und eine konstruktive Grundlage für eine kompensatorische Wärmeleistungsmessung aufweisen, aber nicht für eine kontinuierliche Wärmeflussmessung vorgesehen sind.
Die zugehörigen Brenners ermöglichen des Weiteren auch keine Messung von Brenngasen mit geringem Brennwert.
Ein Kalorimeter zur Bestimmung des Brennwertes einer brennbaren festen oder eventuell flüssigen Probe ist in der Druckschrift DE 44 06 873 C2 beschrieben, das versehen ist mit
einem Gefäß zur Aufnahme einer bestimmten Wassermenge und einer Brennkammer,
einem Behälter zur Aufnahme und Abstützung des Gefäßes,
einem Wassermantel, der das Gefäß umgibt,
einem Sammelbehälter zur Speicherung von Wasser,
einem luftgekühlten Wärmetauscher, der mit dem Sammelbehälter verbunden ist,
einer Pumpe zur Umwälzung des Wassers durch Sammelbehälter, Wärmetauscher und Wassermantel zur Aufrechterhaltung der Umgebungstemperatur im Wasser,
einer Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Temperatur des Wassers im Sammelbehälter in vorbestimmten Zeitabschnitten,
einer Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Temperatur des Wassers im Gefäß in vorbestimmten Zeitabschnitten einschließlich der Temperaturen vor, während und nach der Verbrennung der Probe in der Brennkammer im Gefäß und mit einer Computereinrichtung zur Berechnung eines korrigierten Temperaturanstieges des Wassers im Gefäß, der sich allein auf die Verbrennung der Probe bezieht auf der Basis der Differenzen der Temperatur des Wassers im Sammelbehälters und der Temperatur des Wassers im Gefäß, der Abkühlkonstanten des Kalorimeters und der vorbestimmten Messzeit und zur Berechnung des Brennwertes der Probe auf der Basis des korrigierten Temperaturanstiegs des Wassers im Gefäß.
In dem Kalorimeter ist die Brennkammer nur für feste und eventuelle flüssige Proben konstruiert und nicht für die Messung gasförmiger Proben geeignet. Die Probenmenge ist begrenzt und in einem abgeschlossenen Raum lokalisiert. Die Messungen erfolgen somit nur diskontinuierlich und nicht kontinuierlich. Es wird nicht die Wärmeleistung, sondern kumulativ die bei der Verbrennung der Probe generierte Wärmemenge gemessen.
Die Wärmemengenmessung erfolgt durch Speicherung der Wärme in Wasser mit definierter Menge und durch Messung der zeitlichen Temperaturänderung darin.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Brennwertes eines Brennstoffs sind in der Druckschrift DE 30 34 667 A1 unter Verwendung einer kalorimetrischen Bombe beschrieben, die ein Gehäuse mit einer Brennkammer aufweist, in der eine Probe des Brennstoffs verbrannt wird, wobei die Temperatur des Gehäuses über eine Zeitspanne gemessen und daraus der Brennwert des Brennstoffs bestimmt wird. Zur Messung der Temperatur des Gehäuses ist eine Einrichtung vorhanden, die über eine Zeitspanne zur Bestimmung des Brennwertes des Brennstoffs vorgesehen ist. Die Wärmemengenmessung erfolgt durch eine Speicherung der Wärme im Mantel der Brennkammer durch Messung der zeitlichen Temperaturänderung darin.
Die Brennkammer ist für feste und eventuell auch flüssige Proben konstruiert und nicht für die Messung gasförmiger Proben geeignet. Die Probenmenge ist begrenzt und in einem abgeschlossenen Raum lokalisiert. Die Messungen erfolgen somit nur diskontinuierlich und nicht kontinuierlich. Es wird nicht die Wärmeleistung, sondern kumulativ die bei der Verbrennung der Probe generierte Wärmemenge gemessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennwertmessgerät für Brenngase anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, 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 eine 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 gelöst.
In dem Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit,
ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 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 = 1,0 mm 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 = 0,5 mm bedeckt sein, wobei die Mikrobrennkammer jeweils durch ein drittes Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d = 0,5 mm oben und unten abge deckt ist, so dass sich eine Brennkammerweite von 2 mm 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 = 0,5 mm 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 2 mm 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 l der Brennerkapillare vorgegeben.

Die aus Al₂O₃-Keramik bestehende Brennerkapillare kann vorzugsweise folgende Abmessungen: einen Innendurchmesser d_i= 0,2 mm, einen Außendurchmesser d_a = 0,5 mm und eine Länge l = 22 mm 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 eine 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 4 ml/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 bauelementeanordnungsbezogen 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 Thermostatschale 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 = 1,0 mm die Eingangsöffnung 24 für die Brennerkapillare 4, die Zündelektroden (nicht eingezeichnet) sowie die Ausgangskanäle 25, 26 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 = 0,5 mm bedeckt. Die Mikrobrennkammer 3 ist jeweils durch ein drittes Plättchen 16, 16' mit einer Stärke von d = 0,5 mm oben und unten abgedeckt, so dass sich eine Brennkammerweite von 2 mm 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 = 0,5 mm 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 ≈ 0,3 mm 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 2 mm 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_i = 0,2 mm, Außendurchmesser d_a = 0,5 mm und Länge l = 22 mm. 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 angeordnete Heizungswicklung 192 vorhanden. Die Heizungswicklungen 191, 192 können z. B. mit Kera mikkleber 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 = 6,3 ml 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 70 ml min^–1 eingestellt werden. Die Flamme wird gelöscht bei einem Hilfsluftstrom von < 35 ml 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. 30 μV entsprechend 0,02% des mittleren stationären Signalwertes. Die Signaldrift von 700 μV während der ersten 20 min nach Zündung wird wahrscheinlich durch Temperaturausgleichsvorgänge bedingt, die durch eine Unsymmetrie der Thermostatschalen 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 6,7 μV. 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 Methangasstrom 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^–1 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 Temperaturmessstellen 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 Versorger 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 der 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.

1: Detektionseinheit
2: Kalorimeterkörper
3: Mikrobrennkammer
4: Brennerkapillare
41: Brennerkapillare
42: Brennerkapillare
5: Keramikscheibenblock
6: Erste Thermosäulen-Anordnung
7: Zweite Thermosäulen-Anordnung
8: Aussparung
9: Erste Kavität
10: Zweite Kavität
11: Dritte Kavität
12: Erste Thermostatschale
13: Zweite Thermostatschale
14: Erstes Plättchen
15: Zweites Plättchen
15': Plättchen
16: Drittes Plättchen
16': Plättchen
17: Viertes Plättchen
17': Plättchen
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

Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (1) von innen nach außen gerichtet bauelementeanordnungsbezogen 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 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plättchenblock (5) die Brennkammer (3) sowie Wärmeübertrager für das abströmende Gas enthält.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kavitäten zur Steuerung der Wärmeströme im Kalorimeterkörper (2) angeordnet sind.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwichstruktur des Kalorimeterkörpers (2) sich zwischen den beiden temperaturgeregelten und nach außen thermisch isolierten Thermostatschalen (12, 13) aus Aluminium befindet, die als konstant thermostatisierte Wärmesenke für die Wärmeflussmessung dienen.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 4, 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 Anspruch 1 oder 2, 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 Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Plättchen (14) – dem Zentralplättchen – mit einer Stärke von d = 1,0 mm die Eingangsöffnung (24) für die Brennerkapillare (4), mindestens eine Zündelektrode sowie Ausgangskanäle (25, 26) freigeschnitten sowie ein rechteckiger Freischnitt für die Mikrobrennkammer (3) vorhanden sind.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralplättchen (14) beidseitig durch ein zweites Plättchen (15, 15') mit einer Stärke von d = 0,5 mm bedeckt ist, wobei die Mikrobrennkammer (3) jeweils durch ein drittes Plättchen (16, 16') mit einer Stärke von d = 0,5 mm oben und unten abgedeckt ist, so dass sich eine Brennkammerweite von 2 mm 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 = 0,5 mm 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 der Ansprüche 6 bis 8, 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 der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenkanten des Kalorimeterkörpers (2) Kavitäten (9, 19, 11), die laterale Wärmeflüsse und -verluste minimieren, vorhanden sind.
Brennwertmessgerät nach den Ansprüchen 1 bis 11, 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 der Ansprüche 1 bis 12, 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 integriert und somit als portables Gerät ausgebildet ist.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Detektionseinheit (1) ein Mikrobrenner (18) eingesetzt ist, – wobei der Mikrobrenner (18) eine Brennerkapillare (4) aus Keramik mit einem Innendurchmesser d_i von kleiner als eine bestimmte zugehörige Löschungsstrecke hat, um einen Flammenrückschlag zu verhindern, – wobei als Material der Brennerkapillare (4) Aluminiumoxid Al₂O₃ wegen günstiger Wärmeleitung und erforderlicher elektrischer Isolation vorgesehen ist, – wobei als Mikrobrennkammer (3) ein Reaktionsraum größer als 2 mm zur Vermeidung von Löschungseffekten vorgegeben ist, – wobei eine elektrische Kapillarenheizung (19) zur Kompensation axialer Wärmeleistungsverluste vorgesehen ist und – wobei zur Minimierung der axialen Wärmeableitung eine hinreichend große Kapillarlänge (1) der Brennerkapillare (4) vorgegeben ist.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Al₂O₃-Keramik bestehende Brennerkapillare (4) die Abmessungen: Innendurchmesser d_i = 0,2 mm, Außendurchmesser d_a = 0,5 mm und Länge l = 22 mm hat.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerkapillare (41) auf der Seite des Gasaustritts mit einer radial gerichteten und bipolar gewickelten äußeren Platindrahtwicklung (191) als Kapillarenheizung versehen ist.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerkapillare (42) auf der Seite des Gasaustritts für Brenngase mit geringerem Brennwert eine mit axialer im Inneren der Brennerkapillare (4) angeordneter Heizungswicklung (192) als Kapillarenheizung aufweist.
Brennwertmessgerät nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungswicklungen der Kapillarenheizungen (191, 192) mit Keramikkleber an der keramischen Brennerkapillare (4) fixiert und mit Golddraht kontaktiert sind.
Brennwertmessgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Funkenzündung sich wahlweise gegenüber der Brennerkapillare (4) Zündelektroden befinden, die mit einem piezoelektrischen Zündgenerator bedienbar in Verbindung stehen.
Brennwertmessgerät nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für ein sicheres Zünden und die Verhinderung von Verpuffungen eine Luftzuführungsleitung in die Mikrobrennkammer (3) zur Einleitung eines Hilfsluftstromes vorgesehen ist.