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Die
Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Analyse von Gemischen
aus gasförmigen
Brennstoffen und Luft für
die Versorgung von Brennern für Behälter von
Glasschmelz- und -behandlungsanlagen, wobei ein Anteil dieses Gemischs
als Analysengas aus einer zu den Brennern führenden Gemischleitung abgezogen
und zur Bestimmung eines Referenzwerts für den Sauerstoffgehalt in eine Brennkammer
eingeführt
und darin verbrannt wird, und wobei das Verbrennungsgas durch einen
Sauerstoffsensor analysiert wird.
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Die
Regelung der zahlreichen Betriebsparameter beim Erschmelzen von
mineralischen Gläsern und
bei deren Weiterverarbeitung enthält eine ganze Reihe von Problemkreisen,
die sich teilweise wechselseitig beeinflussen oder sogar stören. Hinzu kommt
auch die Regelung von vor- und nachgeschalteten Anlagenkomponenten,
zu denen auch die der Schmelzwanne nachgeschalteten Speiserkanäle oder "Feeder" gehören, die
zu den Entnahmestellen für
die Glasschmelze führen.
Besonders störend
sind hierbei Inhomogenitäten
in der Glasschmelze und in der die Glasschmelze umgebenden Ofenatmosphäre. Die
Schwierigkeiten sind zum grossen Teil auf die hohe Viskosität und die
niedrige Wärmeleitfähigkeit der
Glasschmelze zurückzuführen. Fehlerhafte
Brennereinstellungen können
erhebliche negative Auswirkungen auf die Produktqualität haben,
z. B. Dunkelfärbungen
und/oder Trübungen
von Weissglas.
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Die
Erfindung befasst sich speziell mit der Regelung von Brennern für die Oberflächen-Beheizung
von Glasschmelzen, ggf. auch in Kombination mit Tauchelektroden.
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Durch
die
US 4,358,305 A ist
es bekannt, durch Kanäle
in den Seitenwänden
der Verbrennungskammer eines Glasschmelzofens kontinuierlich Proben
der Ofenatmosphäre
abzuziehen und in einem Analysengerät auf den Sauerstoffgehalt
zu untersuchen. Die Genauigkeit der Messung ist jedoch stark abhängig von
der örtlichen
Zusammensetzung der Ofen atmosphäre,
in der bekanntlich Strömungsschlieren
auftreten, die auch auf zugesetzte Kühlluft zurückzuführen sind, wie dies z. B. in
Speiserkanälen zum
Zwecke einer Homogenisierung der Temperatur innerhalb des Strömungsprofils
des Glases durchgeführt
wird. Das Analysengerät
besitzt ein Gehäuse, das
durch Beheizung je nach der zu analysierenden Gasart auf Temperaturen
zwischen 770 und 812°C gehalten
werden muss. Im Innern des Gehäuses,
in dem keine Gasverbrennung stattfindet, ist ein Sauerstoff-Sensor
angeordnet. Für
die konkrete Beeinflussung der Brenner-Regelungen finden sich jedoch
keine Angaben.
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Durch
die
EP 0 893 414 B1 ist
es bekannt, der Gemischleitung für
Verbrennungsluft und Brenngas zu einem Glasfeeder eine Teilmenge
des Gasgemischs zu entnehmen und mittels eines Gasbrenners in einem
vom Glasfeeder unabhängigen
Referenzofen zu verbrennen und den verbleibenden Sauerstoff einer
Sauerstoffsonde zuzuführen,
die in einer Wand des Referenzofens angeordnet ist. Hierbei wird
ausschliesslich die Menge des Verbrennungsgases geregelt. Die Temperatur
in dem Referenzofen schwankt mit der Verbrennungsleistung und damit wiederum
die Messgenauigkeit. Dem externen Referenzofen ist notwendigerweise
eine ganze Reihe von Strömungselementen
vorgeschaltet wie z. B. ein Kugelhahn, ein Magnetventil, ein Gasdruckregler
und ein Druckwächter
zur Erzeugung eines definierten Betriebsdrucks. Vor allem aber muss
der Referenzofen extern gezündet
werden und nach DIN DVGW mit einer Flammenüberwachungseinrichtung ausgestattet
sein. Dadurch ist das bekannte System für den Erwerber und Betreiber
extrem teuer.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung und ein Messverfahren
anzugeben, mit denen es möglich
ist, den Verbrennungsvorgang in einem möglichst engen und konstanten
Temperaturbereich und ohne Fernzündung
und Flammenüberwachung
durchführen
zu können,
und bestehende Versorgungssysteme für Brenner in Glasanlagen auf
einfache Weise nachrüsten
zu können.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs angegebenen Messeinrichtung
erfindungsgemäss
dadurch, dass die Brennkammer
- a) innnerhalb
einer Wandung des Behälters
für die Glasschmelze
angeordnet ist,
- b) in wärmeleitender
Verbindung mit dem Inhalt des Behälters steht,
- c) gegenüber
dem Behälter
für die
Glasschmelze geschlossen ist, und
- d) über
eine Abgasleitung mit dem Sauerstoffsensor verbunden ist.
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Durch
diese Mittel wird die gestellte Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst. Dadurch
ist es nämlich möglich, den
Verbrennungsvorgang in einem möglichst
engen und konstanten Temperaturbereich und ohne Fernzündung und
Flammenüberwachung durchzuführen und
bestehende Versorgungssysteme für
Brenner in Glasanlagen auf einfache und kostengünstige Weise nachzurüsten.
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Diese
Vorteile sind von weiteren Vorteilen begleitet: Die neue Regelung
kann ohne bauliche Veränderungen
des bestehenden Systems angebaut werden. Eine ständige Anzeige der Brennereinstellung
im Behälter,
z. B. im Vorherd oder Feeder, ist möglich. Ungenauigkeiten im Mischsystem
können erfasst
und in einem Prozessleitsystem dargestellt werden. Bei über- oder Unterschreiten
eines vorgebbaren Bereich für
den Sauerstoffgehalt können
Störungsmeldungen
erzeugt werden. Optimierungsarbeiten am Gas-/Luftverhältnis, die
sich positiv auf den Energieverbrauch und die Qualität der Endprodukte (z.
B. Hohlglas und Flachglas) auswirken, werden erleichtert. Es erfolgt
eine erhebliche Entlastung des Bedienungspersonals durch den Wegfall
periodischer Einstellarbeiten. Die Trimmung des Sauerstoffgehalts
ist jederzeit abschaltbar und zuschaltbar.
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Es
ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Messeinrichtung
besonders vorteilhaft, wenn – entweder
einzeln oder in Kombination –:
- • das
Ausgangssignal des Sauerstoffsensors einer Regeleinrichtung für die Luftmenge
für die Brenner
aufgeschaltet ist, die eine Einrichtung für den Vergleich des Istwerts
des Sauerstoffanteils mit einem Sollwert hierfür aufweist,
- • für die Regelung
des Gemischs mindestens eine Messblende für die Messung einer Druckdifferenz vorhanden
ist,
- • die
Regeleinrichtung in einer By-pass-Leitung zur Luftleitung angeordnet
ist,
- • die
Brenner in mindestens einer waagrechten Reihenanordnung senkrecht
zur einer ebenfalls waagrechten Gemischleitung angeordnet sind, und
wenn die Brennkammer für
das Analysengas gleichfalls an diese Gemischleitung im Bereich der
Brenner angeschlossen ist,
- • die
Brennkammer oberhalb des Spiegels der Glasschmelze in der Wandung
des Behälters
angeordnet ist,
- • die
Brennkammer unterhalb des Spiegels der Glasschmelze in der Wandung
des Behälters
angeordnet ist und durch Wärmeleitung
mit der Glasschmelze in Berührung
steht,
- • die
Brennkammer aus einem gegen Glas resistenten keramischen Werkstoff
besteht,
- • die
Brennkammer aus einem gegen Glas resistenten metallischen Werkstoff
besteht,
- • bei
Vorherden mit mehreren Zonen jeder Zone eine Brennkammer zugeordnet
ist, und/oder, wenn
- • die
Brennkammer eine zylindrische Wandung aufweist, die durch eine konkave
Kugelfläche
abgeschlossen ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Analyse von Gemischen
aus gasförmigen
Brennstoffen und Luft für
die Versorgung von Brennern für
Behälter
von Glasschmelz- und -behandlungsanlagen, wobei ein Anteil dieses
Gemischs als Analysengas aus einer zu den Brennern führenden
Gemischleitung abgezogen und zur Bestimmung eines Referenzwerts
für den
Sauerstoffgehalt in einer Brennkammer verbrannt und durch einen
Sauerstoffsensor analysiert wird.
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Zu
Lösung
der gleichen Aufgabe und Erzielung der gleichen Vorteile ist dieses
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
- a) die
Brennkammer in wärmeleitender
Verbindung mit dem glasführenden
Behälter
gehalten wird,
- b) das Volumen der Brennkammer gegenüber dem glasführenden
Behälter
geschlossen gehalten wird, und dass
- c) das Abgas aus der Brennkammer einem Sauerstoffsensor zugeleitet
wird.
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Es
ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens
besonders vorteilhaft, wenn – entweder
einzeln oder in Kombination –:
- • mindestens
eine innere Teilfläche
der Brennkammer durch den thermischen Einfluss des glasführenden
Behälters
auf einer Temperatur oberhalb der Zündtemperatur des Gasgemischs
gehalten wird,
- • die
mindestens eine innere Teilfläche
der Brennkammer auf einer Temperatur von mindestens 900°C gehalten
wird,
- • über den
gesamten Druckbereich ein gleichprozentiger Anteil an Luftüberschuss
erzeugt wird, und/oder, wenn
- • das
gewünschte
Mischungsverhältnis über die Regelung
der Luftmenge eingestellt wird.
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Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes und deren Wirkungsweisen und weitere
Vorteile werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
teilweisen Vertikalschnitt quer zur Strömungsrichtung durch einen Behälter mit
einer Glasschmelze,
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2 einen
stark vergrösserten
Detail-Ausschnitt aus 1 mit Blickrichtung in Richtung
des Pfeils II in 1 und,
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3 eine
Gesamtdarstellung der Regelanordnung unter Einbeziehung einer Verkleinerung
der 1.
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In 1 ist
ein Behälter 1 in
Form eines Speiserkanals oder "Feeders" mit einer senkrecht
zur Zeichenebene strömenden
Glasschmelze 2 gezeigt, die zumindest thermisch mit einer
Wandfläche 3 des Behälters 1 in
Berührung
steht. Der Behälter 1 besitzt eine
Innenwand 4 aus glasresistenten Mineralstoffen, die von
einer thermischen Isolierung 5 umgeben ist Dadurch ergibt
sich ein steiler Temperaturabfall nur innerhalb der Isolierung 5.
Diese Anordnung ist von einem metallischen Mantel 6 umgeben.
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Auf
der Oberseite 7 dieser Anordnung befindet sich eine Brennkammer 8 in
der äusseren
Form eines Quaders mit einer oben abstehenden Dachschräge, wie
dies von Düsensteinen
für Brenner
her bekannt ist. Derartige Brennkammern 8 wechseln sich
auf der Oberseite 7 in ganzzahligen Verhältnissen
mit Brennern 22 ab, was anhand von 2 noch näher erläutert wird.
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Oberhalb
der Brennkammern 8 und der Brenner 22 befindet
sich eine Ofendecke 9 aus hitzebeständigen mineralischen Blöcken, umgeben
von Dämmstoffblöcken 10 und 11.
Dadurch wird über
der Glasschmelze 2 ein Brennraum 12 gebildet,
in dem sich eine komplexe und sehr heisse Gas atmosphäre befindet,
die sehr inhomogen sein kann und aus Flammenschlieren, Brenngasen
und ggf. eingebrachter Kühlluft
besteht, und die in thermischen und chemischen Wechselwirkungen
mit den mineralischen Werkstoffen und der Glasschmelze und insbesondere
auch mit der geschlossenen Stirnwand 8d der Brennkammer 8 steht.
So kann man bei einem Einblick in die geöffnete Brennkammer 8 sehen,
dass die Stirnwand 8d innen in Rotglut leuchtet.
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Die
Brennkammer 8 ist oberhalb des Spiegels der Glasschmelze 2 angeordnet
und besitzt einen zum Brennraum 12 hin geschlossenen Hohlraum 13,
der von einer zylindrischen Wandung und einer konkaven Kugelfläche begrenzt
ist. Dieser Hohlraum 13 ist durch einen Flansch 14 mitttels
einer nicht bezifferte Dichtung abgeschlossen, durch den eine Gemischleitung 15 für das zu
analysierende Gasgemisch in den Hohlraum 13 hindurch geführt ist.
Das betreffende Gemisch aus Brenngas und Oxidationsgas wird über einen
Schlauch 16 einer Gemischleitung 17 entnommen,
an die auch die benachbarten Brenner 22 angeschlossen sind,
und die gleichzeitig als Tragstruktur für diese Brenner 22 und
die Brennkammer 8 bzw. für deren Anschlusselemente 18 dient,
was aus 2 deutlicher hervorgeht. Die 1 zeigt
noch, dass das im Hohlraum 13 verbrannte Gasgemisch als
Abgas über
eine weitere Leitung 19, die in den Flansch 14 eingesetzt
ist, abströmt
und einem externen Sauerstoffsensor 20 mit Messwertleitungen 21 zugeführt wird.
Man kann sich die Anordnung nach 1 spiegelbildlich
ergänzt
auf die andere Seite des Behälters 1 übertragen
vorstellen. Als Sauerstoffsensoren werden bevorzugt sogenannte Lambda-Sonden
verwendet die im Handel erhältlich
sind und mit denen das Luft-Brennstoffverhältnis, die sog. Lambda-Zahl,
gemessen werden kann.
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In 2 sind
Teile gemäss 1 mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Hier verlaufen die Gemischleitung 17 und
die Transportrichtung der Glasschmelze 2 parallel zur Zeichenebene,
und eine Gruppe von äquidistant
verteilten und mit der Gemischleitung 17 verbundenen Brennern 22 senkrecht hierzu.
Die Brenner 22 sowie das mittig zwischen zwei der Brenner 22 angeordnete
Anschlusselement 18 werden durch Klemmplatten 23 gehalten.
Das Gemisch von Brenngas und Verbrennungsluft wird der Gemischleitung 17 über eine
Anschlussleitung 24 zugeführt.
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In 3 sind
Einzelheiten der Regelanordnung dargestellt. Innerhalb der gestrichelten
Umrandung 25 befinden sich die herkömmlichen Regelelemente. Das
Brenngas wird in Richtung des Pfeils 26 zugeführt, die
Verbrennungsluft in Richtung des Pfeils 27. Eine Vordosierung
erfolgt über
einen Differenzdruckregler 28. Hierzu befindet sich am
Eingang einer Mischkammer 29 eine feste Messblende 30 für die Messung
einer Druckdifferenz PL in der Luftströmung, die über die Luftleitung 31 zugeführt wird.
Für die
Gaszufuhr dient eine Gasleitung 32, in der sich ein Regelventil 33 und
eine einstellbare Messblende 34 befinden. Hierdurch wird
eine Druckdifferenz PG in der Gasströmung ermittelt. Die Druckdifferenzen PL
und PG werden im Differenzdruckregler 28 verarbeitet, und
das Stellsignal wird über
einen Stellmotor 28a auf das Regelventil 33 übertragen.
Es ist von Bedeutung, dass das Regelventil 33 ein sogenanntes "internes" Regelventil ist,
das vollkommen autark arbeitet, d. h. es wird kein Stellsignal von
aussen benötigt,
sondern der Differenzdruckregler 28 wird einmal eingestellt
und sorgt dann für
die Menge der Zufuhr des Brenngases.
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In
der Luftleitung 31 zur Mischkammer 29 befindet
sich ein weiteres Stellventil 35, das seine Stellsignale
von einem Temperatursensor 36 über einen Temperaturregler 37,
die Leitung 38 und einen Stellmotor 39 erhält. Der
Temperatursensor 36 befindet sich (hier nicht gezeigt)
im Brennraum 12. Die Anschlussleitung 24 (2)
erhält
somit ein bereits vordosiertes Brenngasgemisch aus der Mischkammer 29.
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Hier
beginnt nun die Zusatzregelung gemäss der Erfindung. Die Gasleitung 31,
die Mischkammer 28 und die davon ausgehende Anschlussleitung 24 sind
durch eine By-pass-Leitung 40 überbrückt. In dieser befindet sich
ein Regelventil 41, das seine Stellsignale ausgehend vom
Sauerstoffsensor 20 über
die Messwertleitung(en) 21, den Sauerstoffregler 42,
die Steuerleitung 43 und den Stellantrieb 44 erhält. Zwischen
diesem und dem Regelventil befindet sich noch ein Regelglied 45,
dem über
eine Gasleitung 46 noch der Druckwert PGL des Gas-Luft-Gemischs
jenseits der Mischkammer 29 und des Regelventils 41 zugeleitet
wird.
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Aus
dieser Darstellung geht hervor, dass sich eine übliche Gemischregelung – innerhalb
der Umrandung 25 – auf
sehr einfache und wirksame Weise, ggf. auch nachträglich, durch
den Erfindungsgegenstand mit einer Luftmengenregelung ergänzen und verbessern
lässt.
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Der 1 ist
noch zu entnehmen, dass solche Hohlräume 13 für die Sauerstoffanalyse
wahlweise oder additiv auch als Hohlraum 13a in der Ofendecke 9 oder
auch als Hohlraum 13b unterhalb des Spiegels der Glasschmelze 2 in
dem Behälter 1 angeordnet
sein können.
Die Brennkammern 8, 8a und 8b werden
durch die angegebenen Baustoffe gebildet, die die dargestellten
Hohlräume 13, 13a und 13b umschliessen.
Die Hohlräume 13a und 13b und
ihre Einsteckseiten sind dann allerdings noch in der Weise um- und
auszurüsten
sowie anzuschliessen wie der Hohlraum 13. In allen Fällen stehen
die Hohlräume 13, 13a und 13b in
intensivem und extrem konstantem Wärmekontakt mit den Medien innerhalb des
Behälters 1.
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- 1
- Behälter
- 2
- Glasschmelze
- 3
- Wandfläche
- 4
- Innenwand
- 5
- Isolierung
- 6
- Mantel
- 7
- Oberseite
- 8
- Brennkammer
- 8a
- Brennkammer
- 8b
- Brennkammer
- 8d
- Stirnwand
- 9
- Ofendecke
- 10
- Dämmstoffblock
- 11
- Dämmstoffblock
- 12
- Brennraum
- 13
- Hohlraum
- 13a
- Hohlraum
- 13b
- Hohlraum
- 14
- Flansch
- 15
- Gemischleitung
- 16
- Schlauch
- 17
- Gemischleitung
- 18
- Anschlusselemente
- 19
- Leitung
- 20
- Sauerstoffsensor
- 21
- Messwertleitungen
- 22
- Brenner
- 23
- Klemmplatten
- 24
- Anschlussleitung
- 25
- Umrandung
- 26
- Pfeil/Gas
- 27
- Pfeil/Luft
- 28
- Differenzdruckregler
- 28a
- Stellmotor
- 29
- Mischkammer
- 30
- Messblende
- 31
- Luftleitung
- 32
- Gasleitung
- 33
- Regelventil
- 34
- Messblende
- 35
- Stellventil
- 36
- Temperatursensor
- 37
- Temperaturregler
- 38
- Leitung
- 39
- Stellmotor
- 40
- By-pass-Leitung
- 41
- Regelventil
- 42
- Sauerstoffregler
- 43
- Steuerleitung
- 44
- Stellantrieb
- 45
- Regelglied
- 46
- Gasleitung
- PG
- Druckdifferenz/Gas
- PGL
- Druckwert/Gas/Luft
- PL
- Druckdifferenz/Luft