DE102008059516A1

DE102008059516A1 - Verfahren zur Messung der Umsatzrate bzw. der Reaktionsgeschwindigkeit in Flammen

Info

Publication number: DE102008059516A1
Application number: DE200810059516
Authority: DE
Inventors: Christoph Nailis; Ralph Edenhofer
Original assignee: OWI OEL WAERME INST GGMBH; OWI OEL-WAERME-INSTITUT GGMBH
Current assignee: OWI OEL WAERME INST GGMBH; OWI OEL-WAERME-INSTITUT GGMBH
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-02

Abstract

In Feuerungsanlagen und Brennkammern können Verbrennungsschwingungen auftreten, die durch Schall zu Lärmbelästigungen führen, oder bei größeren Druckamplituden die Stabilität der Verbrennung gefährden oder sogar die Anlage selbst beschädigen oder zerstören. Die Erfassung der Umsatzrate kann dazu dienen, diese Vorgänge zu erforschen und zu analysieren, Grenzen eines sicheren Betriebes einzuhalten, durch regelungstechnische Einrichtungen der Verbrennungsschwingung entgegenzuwirken. Dazu ist eine schnelle Erfassung der Umsatzrate notwendig, da diese Vorgänge mit Frequenzen bis mehrere 10 kHz ablaufen können. Die Umsatzratenmessung erfolgt üblicherweise mittels der UV-Strahlung, die von kurzlebigen Zwischenprodukten der Verbrennungsreaktion ausgestrahlt wird. Dieses Verfahren erfordert einen optischen Zugang zur Brennkammer, der kompliziert, aufwändig und empfindlich ist. Im Gegensatz dazu erfordert die Umsatzratenmessung über die Leitfähigkeit der Flamme lediglich eine Elektrode, die isoliert in den Brennraum geführt ist. Besonders interessant, für oben genannte Analysen, ist eine Bewertung der Umsatzrate im Zusammenhang mit dem Brennkammer- oder Kesseldruck, der über ein Sondenmikrofon ebenfalls mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden kann. Der Zusammenhang der beiden Signale kann mit Verfahren der mathematischen Signalanalyse (Fourier-Analyse, Kreuzkorrelationsanalyse etc.) ausgewertet werden. Es ist bekannt, die elektrische Leitfähigkeit von Flammen zu ...

Description

Die elektrische Leitfähigkeit von Flammen wird einerseits in Flammenwächtern und andererseits in der Gasanalysetechnik benutzt.
Die Leitfähigkeit von Flammen beruht auf dem Vorhandensein von freien Ladungsträgern in der Flamme, die durch die chemischen Reaktionen in der Flamme freigesetzt werden.
In Flammenwächtern wird das Vorhandensein einer Leitfähigkeit der Flamme abgefragt, die einen Strom in der Größenordnung von einigen μA bis mA zulässt, wenn man eine Elektrode in die Flamme bringt, die mit ca. 200 bis 300 V vorgespannt ist. Im Gegensatz zur Flamme sind die Gase ohne chemische Reaktion bei erloschener Flamme hervorragende Isolatoren.
Zusätzlich weist die Anordnung aus Ionisationssonde, Flamme und Brennerteilen, die als elektrischer Gegenpol dienen, einen Gleichrichtereffekt auf. Der Strom fließt also in der einen Richtung signifikant stärker als in der anderen Richtung. Um diese Eigenschaft messen zu können wird die Ionisationssonde mit einer Wechselspannung gegenüber dem Brennergehäuse vorgespannt und der Gleichanteil des Stromes ausgewertet. Diese Methode erlaubt es, den kleinen Ionisationsstrom von einem Nebenschluss zu unterscheiden, der bei unzureichender Isolierung der Sonde auftritt, z. B. durch Verschmutzung. Messgröße beim Flammenwächter ist also die Leitfähigkeit verbunden mit dem Gleichrichteffekt oder anders ausgedrückt der Gleichanteil des Wechselstromes.
In der Gasanalysetechnik werden sogenannte Flammenionisationsdetektoren (FID) benutzt, um den Gehalt von Kohlenwasserstoffen in Gasgemischen zu ermitteln. Bei diesem Verfahren wird der Effekt ausgenutzt, dass die Leitfähigkeit der Flamme mit dem Kohlenwasserstoffgehalt des Brenngases zusammenhängt. Beim FID wird die absolute Leitfähigkeit gemessen also der reine Gleichstrom, der durch die Sonde fließt. Die Sonde ist beim FID mit einer Gleichspannung in der Größenordnung von 100 V vorgespannt.
In Anlagen, in denen Brenner betrieben werden, kann es zu selbsterregten Verbrennungsschwingungen kommen, die durch einen Rückkopplungseffekt zwischen der zeitlichen Änderung der Umsatzrate in der Flamme und einer Druckschwingung funktionieren. Diese Verbrennungsschwingungen erzeugen starke Druckschwankungen, die als Schall abgestrahlt werden und lästig sein können. Darüber hinaus kann die Stabilität der Verbrennung gestört werden oder sogar Anlagenteile durch die Druckschwingungen beschädigt oder zerstört werden.
Methoden zur Analyse, Vermeidung oder sogar aktiven Unterdrückung von selbsterregten Verbrennungsschwingungen sind derzeit ein gefragtes Thema.
Messtechnisch wurde bisher neben dem Druck in der Brennkammer (Schall) die Emission von nahem UV-Licht aus der Flamme genutzt. Die UV-Emission im Bereich von 305 nm ist anerkannt ein gutes Maß für die Umsatzrate in der Flamme. Insbesondere lassen sich mit UV schnelle Änderungen der Umsatzrate beobachten.
Nachteil dieser optischen Methode ist die Notwendigkeit eines optischen Zugangs zur Reaktionszone in der Flamme. Dieser ist oft schwierig herzustellen und empfindlich gegen Verschmutzung oder Beschädigung. Als preiswerte, robuste Alternative bietet sich nun die Ionisationssonde an.
Die Versuche mit der Ionisationssonde haben gezeigt, dass die Sonde ein elektrisches Signal liefert das eine Funktion der Umsatzrate ist und in einem breiten Frequenzband mit dem Drucksignal korreliert ist.
Bei positiv vorgespannter Ionisationssonde und Brenner-Gehäuse als negativem Gegenpol bzw. Massepotential, ist ein deutliches Signal messbar, das die gleichen Frequenzanteile enthält wie das Drucksignal. Bei Vorliegen einer selbsterregten Verbrennungsschwingung sind das Drucksignal und das Ionisationssignal klar in der Phasenlage korreliert.
Bei negativ vorgespannter Ionisationssonde ergibt sich in der Flamme auch ein starkes elektrisches Signal, das jedoch nur ein breitbandiges Rauschen enthält und nicht mit dem Druck korreliert ist.
Die Ionisationssonde lässt sich mit wesentlich weniger Aufwand in einen Brennraum integrieren als eine optische Sonde. Es ist lediglich eine isolierte Durchführung notwendig.
Durch passende Formgebung kann man den Abstand zur Brennkammerwand, die als Gegenelektrode dient, einstellen und die untersuchte Zone bestimmen.
Benutzt man eine zweite Gegenelektrode anstelle von Teilen des Brenners, so kann man beliebige Orte in der Brennkammer untersuchen, um z. B. einen Referenzpunkt für den Zustand der Flamme zu bestimmen.
Auswertung des Wechselspannungsanteils
Die 1 zeigt das Prinzip der aktiven Ionisationssonde und links ein Ersatzschaltbild. Im Ersatzschaltbild ist zu erkennen, dass der Widerstand der Flamme Rf und der Vorwiderstand Rv einen Spannungsteiler bilden. Der Spannungsteiler wird durch eine Spannungsquelle (rechts im 1) gespeist. Ändert sich die Leitfähigkeit der Flamme mit der Umsatzrate, so ändert sich das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers, da die Leitfähigkeit der Kehrwert des Widerstandes ist. Verändert sich das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers , so ändert sich die Spannung am Verbindungspunkt zwischen Rf und Rv. Änderung der Spannung bedeutet einen Wechselspannungsanteil, der über den Kondensator ausgekoppelt wird. In der realen Messanordnung wird der Wechselspannungsanteil zu einem Oszilloskop oder zur Frequenz und Phasenanalyse an einen entsprechenden Analysator, z. B. einem PULSE-Analysator geleitet. Die Auswerteelektronik ist durch das skizzierte Oszilloskop angedeutet.
Die Leitfähigkeit der Flamme beruht auf freien Ladungsträgern in der Flamme, die aufgrund der chemischen Reaktionen dort vorliegen. Diese Ladungsträger sind in der Skizze in der Flamme mit ihren Bewegungsrichtungen angedeutet. Mit der Umsatzrate steigt und sinkt die Anzahl der freien Ladungsträger und damit die Möglichkeit zum Ladungstransport in der Flamme.
Vorteil des neuen Verfahrens ist, dass es wesentlich robuster ist als das optische Verfahren. Als Sensor benötigt man lediglich eine leitfähige Sonde, die isoliert durch die Brennkammerwand geführt ist. Die Leitfähigkeit der Flamme ist nur in der Reaktionszone gegeben, andere Bereiche sind nicht leitend also isolierend und haben somit keinen Einfluss auf die Messung. Verschiedene Bereiche der Sonde sind quasi elektrisch parallel geschaltet und es trägt nur der Teil der Sonde zur Messung bei, der in der Reaktionszone liegt. Die Sonde kann beliebig geformt sein, für den Fall dass die Reaktionszone sich verlagert. Es können mehrere Sonden parallel angeschlossen werden und mit einer Elektronik ausgewertet werden.
Auswertung des Gleichspannungsanteiles.
Über das in der (1) angedeutete Verfahren hinaus kann auch der Gleichspannungsanteil des Ionisationsstromes ausgewertet werden, z. B. indem man den Vorwiderstand als Strom-Messwiderstand nutzt. Der Gleichspannungsanteil wird vermutlich zusätzliche Informationen enthalten, wie die absolute momentane Umsatzrate der Flamme oder Rückschlüsse auf den Fortschritt der chemischen Reaktion zulassen, ob die Reaktion abgeschlossen ist oder noch Restreaktionen ablaufen. Die Stöchiometrie der Verbrennung wird in einigen Verfahren, die auf dem Markt eingeführt sind, so ermittelt, dass die Leitfähigkeit der Flamme und das Verhältnis zur maximalen Leitfähigkeit ermittelt wird. Die Aussagen über die Lage des Leitfähigkeitsmaximum sind bei den verschiedenen Verfahren aber widersprüchlich (Lamda Pro Control der Fa. Viessmann, SCOT-Sensor der Fa. Weishaupt, Buderus, Stiebel-Eltron).
Passive Ionisationssonde.
Beim Versuch den Widerstand der Ionisationssonde in der Flamme zu messen, um eine Auswerteschaltung zu dimensionieren, wurde Folgendes beobachtet.
Ohne Flamme liegt der Widerstand der Sonde gegenüber dem Brennergehäuse oberhalb des Messbereiches des Multimeters, also über 20 MOhm. Das war zu erwarten, die Messung diente dem Test des Isolators.
In der Flamme war der Widerstand immer noch nicht zu messen, wenn die Sonde positiv gegenüber dem Brennergehäuse gepolt war. Bei negativer Polung stellte sich ein Widerstand um 3 MOhm ein, bis zum Erlöschen der Flamme.
Weiterhin ist aufgefallen:
Die Ionisationssonde entwickelt eine Eigenspannung in der Flamme. Die Spannung beträgt ca. + 0,6 V Gleichanteil und ca. 0,1 V Wechselanteil. Die Strombelastbarkeit des Signals beträgt ca. 2 μA gemessen mit einem Multimeter.
Die Spannungswerte wurden mit einem Oszilloskop nachgeprüft und bestätigt. Der optische Eindruck des Oszilloskopbildes zeigt das Vorhandensein diverser Frequenzanteile im Spannungssignal.
Vermutlich lässt sich diese rein passiv erzeugte Spannung der Sonde ebenso gut zur Analyse der Umsatzrate und anderer charakteristischer Größen der Flamme nutzen wie mit der aktiven Sonde.
Das dort über die Auswertung des Gleich- und Wechselspannungsanteiles Gesagte gilt hier entsprechend.

Claims

Verfahren zur Messung der chemischen Umsatzrate in Flammen, mit hoher zeitlicher Auflösung, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Gase in der Flamme als Maß für die augenblickliche Umsatzrate der Flamme genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, aufgrund einer von außen an Elektroden angelegten Gleich- oder Wechselspannung, als Maß für die Leitfähigkeit der Flamme genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, aufgrund der Spannung, die durch den Temperaturunterschied zwischen zwei Elektroden oder Elektroden und leitfähigen Teilen des Brenners oder Kessels zustande kommt, als Maß für die Leitfähigkeit der Flamme genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung selbst, die durch den Temperaturunterschied zwischen zwei Elektroden oder Elektroden und leitfähigen Teilen des Brenners oder Kessels zustande kommt, als Maß für die Leitfähigkeit der Flamme genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleich- und/oder Wechselanteil des Stroms oder der Spannung oder das Verhältnis der Beiden zur Signalanalyse genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleich- und/oder Wechselanteil des Stroms oder der Spannung mit anderen Signalen aus der Flamme korreliert werden, insbesondere mit dem Brennkammerdruck, um mittels Fourieranalyse, Kreuzkorrelationsanalyse oder anderer mathematischer Mittel, eine Aussage über Umsatzrate, Stöchiometrie, Flammenstabilität oder das Vorliegen einer selbsterregten Verbrennungsschwingung machen zu können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Elektroden in die Flamme ragen, zwischen denen oder zwischen denen und leitfähigen Brennerteilen die Leitfähigkeit gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Elektroden in die Flamme ragen, die gekühlt werden, um eine Spannung aufgrund des Temperaturunterschiedes zu erzeugen.