DE102013004198B4

DE102013004198B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Zündgrenzen von Gasgemischen

Info

Publication number: DE102013004198B4
Application number: DE102013004198.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Müller; Michael Abert; Thomas Berger; Matthias Krampfert; Dipl.-Ing. Thomas (FH) Bayha; Karsten Pinkwart; Jens Tübke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: DE102013004198A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der oberen Zündgrenze eines Gasgemisches, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (a) Einleiten eines Probengases oder einer Probengasmischung in eine mit einer Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1) mit einem vorgegebenen ersten Volumen- oder Massenstrom; (b) Einleiten eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in die mit der Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1) mit einem vorgegebenen zweiten Volumen- oder Massenstrom, wobei der zweite Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom kontinuierlich oder sukzessive erhöht wird; (c) Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer (1); und (d) Ermitteln der oberen Zündgrenze als dem Volumen- oder Massenverhältnis des Probengases oder der Probengasmischung in Bezug auf das Reaktandgas oder die Reaktandgasmischung zum Zündzeitpunkt aus dem ersten Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den zweiten Volumen- oder Massenstrom zum Zündzeitpunkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der oberen und der unteren Zündgrenze eines Gasgemisches sowie eine insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Ermittlung der Zündgrenzen eines Gasgemisches.
Insbesondere im Hinblick auf sicherheitstechnische Aspekte besteht häufig der Bedarf an einer Ermittlung der Zünd- bzw. Explosionsgrenzen von Gasgemischen aus Gasen oder Gasmischungen, deren genaue Zusammensetzung nicht bekannt ist, sich überdies mit der Zeit ändern kann und ferner beispielsweise sowohl zündfördernde als auch zündhemmende Gaskomponenten enthalten kann – nachfolgend als ”Probengas” oder ”Probengasmischung” bezeichnet – mit Reaktandgasen oder Reaktandgasmischungen, wie beispielsweise Umgebungsluft, welche mit dem Probengas bzw. mit der Probengasmischung explosionsartig in Reaktion treten können. Lediglich beispielhaft seien in diesem Zusammenhang Lithium-Ionen-Zellen erwähnt, in welchen bei der Reaktion des Lithiums mit dem üblicherweise organische Lösungsmittel enthaltenen Elektrolyten Wasserstoff gebildet werden kann, so dass im Falle eines Austretens solcher sowohl Wasserstoff als auch organische Lösungsmittel enthaltenden Gase bei Kontakt mit oxidationsfähigen Gasen, wie beispielsweise Luftsauerstoff, die Gefahr einer Explosion besteht, sofern die Gase mit potenziellen Zündquellen in Kontakt gelangen.
Zur Ermittlung der Zündgrenzen von Gasgemischen ist es beispielsweise gebräuchlich, vorbekannte Komponenten innerhalb eines Gases oder Gasstroms spektroskopisch, z. B. mittels Infrarot-, Wärmetönungssensoren und dergleichen, zu ermitteln und hieraus Rückschlüsse auf die Zündgrenze eines Gasgemisches dieser Komponente mit einem Reaktandgas, wie beispielsweise (Luft)sauerstoff zu ziehen. Dies erfordert allerdings einerseits, dass die Zündgrenzen der beteiligten Gaskomponenten vorbekannt sind oder thermodynamisch errechnet werden müssen, wobei die Zündgrenzen zudem sowohl druck- als auch temperaturabhängig sind. Andererseits können die Gase korrosive Komponenten enthalten, welche die jeweils eingesetzten Sensorsysteme schädigen können, oder mit Partikeln beladen sein, welche die Zündgrenzen ihrerseits beeinflussen können.
Die US 4 140 004 A beschreibt eine Vorrichtung zur Ermittlung der Explosionseigenschaften von entflammbaren Gasen. Dabei wird einer auf der gewünschten Temperatur gehaltenen Brennkammer die zu untersuchende Gasprobe aufgegeben und wird letztere mittels eines Zünddrahtes gezündet, wobei die Zündung mittels geeigneter Sensoren, wie Drucksensoren, erfasst wird. Der JP 2010-008135 A ist eine andere Vorrichtung zur Ermittlung der Explosionsprodukte eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zu entnehmen, wobei einerseits das brennbare Gas, andererseits Luft mittels je eines Kolbenverdrängers in einem vorherbestimmten Massenverhältnis gemischt und einem Einweg-Behälter aufgegeben werden. Die Zündung des Gases geschieht mittels eines Zündfunkens zwischen zwei Elektroden.
In der US 4 351 614 A geht es um ein Verfahren zur Ermittlung des Brennwertes von brennbaren Gasen sowie um eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Dabei wird ein brennbares Gas, dessen Brennwert bekannt ist, mit einem Verbrennungs-Trägergas, wie z. B. Luft, gemischt und wird das Gasgemisch einem Messgerät der weiter oben beschriebenen Art zur Ermittlung dessen Zündgrenze zugeführt. Das Massenverhältnis zwischen dem brennbaren Gas mit bekanntem Brennwert und dem Verbrennungs-Trägergas wird so lange variiert, bis das Messgerät einen Wert im Bereich der unteren Explosionsgrenze anzeigt. Sodann wird ein unbekanntes brennbares Gas mit einem entsprechenden Massenverhältnis zwischen diesem und demselben Verbrennungs-Trägergas dem Messgerät zugeführt und wird die von dem Messgerät ermittelte, prozentuale untere Explosionsgrenze genutzt, um den Brennwert des unbekannten brennbaren Gases zu errechnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu Ermittlung der oberen und der unteren Zünd- bzw. Explosionsgrenze eines Gasgemisches vorzuschlagen, welches den vorgenannten Problemen zumindest teilweise zu begegnen vermag und insbesondere eine Ermittlung der Zündgrenzen praktisch beliebiger Gasgemische vor Ort im Originalzustand und ohne vorherige Probenaufbereitung ermöglicht. Sie ist ferner auf eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Ermittlung der Zündgrenzen eines Gasgemisches gerichtet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Ermittlung der oberen Zündgrenze eines Gasgemisches gelöst, welches durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

(a) Einleiten eines Probengases oder einer Probengasmischung in eine mit einer Zündquelle versehene Zündkammer mit einem vorgegebenen ersten Volumen- oder Massenstrom;
(b) Einleiten eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in die mit der Zündquelle versehene Zündkammer mit einem vorgegebenen zweiten Volumen- oder Massenstrom, wobei der zweite Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom kontinuierlich oder sukzessive erhöht wird;
(c) Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer; und
(d) Ermitteln der oberen Zündgrenze als dem Volumen- oder Massenverhältnis des Probengases oder der Probengasmischung in Bezug auf das Reaktandgas oder die Reaktandgasmischung zum Zündzeitpunkt aus dem ersten Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den zweiten Volumen- oder Massenstrom zum Zündzeitpunkt.

Dementsprechend wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Ermittlung der unteren Zündgrenze eines Gasgemisches gelöst, welches durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

(a) Einleiten eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in eine mit einer Zündquelle versehene Zündkammer mit einem vorgegebenen ersten Volumen- oder Massenstrom;
(b) Einleiten eines Probengases oder einer Probengasmischung in die mit der Zündquelle versehene Zündkammer mit einem vorgegebenen zweiten Volumen- oder Massenstrom, wobei der zweite Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom kontinuierlich oder sukzessive erhöht wird;
(c) Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer; und
(d) Ermitteln der unteren Zündgrenze als dem Volumen- oder Massenverhältnis des Probengases oder der Probengasmischung in Bezug auf das Reaktandgas oder die Reaktandgasmischung zum Zündzeitpunkt aus dem zweiten Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom zum Zündzeitpunkt.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe schließlich eine Vorrichtung zur Ermittlung der Zündgrenzen eines Gasgemisches vor, umfassend:

– eine mit wenigstens einer Zündquelle versehene Zündkammer;
– wenigstens einen ersten Einlass zum Einleiten eines Volumen- oder Massenstromes eines Probengases oder einer Probengasmischung in die Zündkammer mit wenigstens einem ersten Durchflussregler;
– wenigstens einen zweiten Einlass zum Einleiten eines Volumen- oder Massenstromes eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in die Zündkammer mit wenigstens einem zweiten Durchflussregler;
– wenigstens einen Auslass zum Ausleiten des Gasgemisches aus der Zündkammer; und
– wenigstens einen Sensor, welcher zur Erfassung der Zündung des Gasgemisches in der Zündkammer ausgebildet ist.

Die Erfindung ermöglicht eine experimentelle Bestimmung der oberen und unteren Zünd- bzw. Explosionsgrenzen von Gasgemischen praktisch beliebiger Zusammensetzung, wobei die Zusammensetzung(en) des Probengases oder der Probengasmischung unbekannt sein kann. Etwaige Partikelanteile können bedarfsweise berücksichtigt werden, sofern sie mit dem jeweiligen Gastrom in die Zündkammer eingeleitet werden, oder sie können gezielt unberücksichtigt werden, indem sie beispielsweise durch Anordnung eines Filters stromauf der Zündkammer abgeschieden werden.
Im Falle der Ermittlung der oberen Zündgrenze kann der Massen- oder Volumenstrom des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung hierbei insbesondere von 0 oder auch von einem bestimmten Anfangswert (sofern z. B. bekannt ist, dass die obere Explosionsgrenze einen hinreichenden Abstand von 100%) bis zum Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer kontinuierlich oder sukzessive in Bezug auf den Massen- oder Volumenstrom des Probengases oder der Probengasmischung erhöht werden. Im Falle der Ermittlung der unteren Zündgrenze kann der Massen- oder Volumenstrom des Probengases oder der Probengasmischung hierbei dementsprechend insbesondere von 0 oder auch von einem bestimmten Anfangswert (sofern z. B. bekannt ist, dass die untere Explosionsgrenze einen hinreichenden Abstand von 0% besitzt) bis zum Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer kontinuierlich oder sukzessive in Bezug auf den Massen- oder Volumenstrom des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung erhöht werden.
Zur Ermittlung der jeweiligen Zündgrenze muss lediglich das Verhältnis des Volumen- oder Massenstromes des Probengases oder der Probengasmischung zu dem des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung zum Zündzeitpunkt ermittelt werden, was – wie weiter unten noch näher erläutert – beispielsweise in automatisierter Form geschehen kann. In jedem Fall ist es möglich, die Zündgrenzen eines Probengases bzw. einer Probengasmischung von unbekannter und/oder veränderlicher Zusammensetzung mit einem bekannten Reaktandgas oder einer Reaktandgasmischung, welche üblicherweise oxidative Komponenten, wie Sauerstoff, enthält, zu ermitteln.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung ist robust und wartungsfreundlich, kommt ohne qualitative und quantitative Sensorik zur Ermittlung etwaiger Gaskomponenten aus und eignet sich somit in besonderem Maße zur Aufstellung vor Ort, wo das Probengas bzw. die Probengasmischung erzeugt wird.
Während grundsätzlich lediglich erforderlich ist, dass der zweite Volumen- oder Massenstrom relativ zu dem ersten Volumen- oder Massenstrom erhöht wird und ersterer folglich auch verringert oder in einem demgegenüber geringeren Maße erhöht werden kann, kann es insbesondere zweckmäßig sein, wenn einer der beiden Volumen- oder Massenstrom im Wesentlichen konstant gehalten und der andere demgegenüber erhöht bzw. verringert wird. Demgemäß kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass

– der Volumen- oder Massenstrom des Probengases oder der Probengasmischung oder
– der Volumen- oder Massenstrom des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung

Sofern eine Reaktandgasmischung eingesetzt wird, so kann im Falle einer solchen Reaktandgasmischung gemäß einer ersten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass deren Volumen- oder Massenstrom unter Aufrechterhaltung eines im Wesentlichen konstanten Mischungsverhältnisses in Bezug auf den Volumen- oder Massenstrom des Probengases oder der Probengasmischung

– bei der Ermittlung der oberen Zündgrenze erhöht bzw.
– bei der Ermittlung der unteren Zündgrenze verringert

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante ist es im Falle einer Reaktandgasmischung auch denkbar, dass im Falle einer solchen Reaktandgasmischung deren Volumen- oder Massenstrom insgesamt im Wesentlichen konstant gehalten und der Volumen- oder Massenanteil wenigstens einer Reaktandgaskomponente in der Gasmischung in Bezug auf wenigstens eine Inertgaskomponente in der Gasmischung

Bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zu diesem Zweck beispielsweise vorgesehen sein, dass zumindest einer der Einlässe wenigstens zwei Zuleitungen umfasst, welche jeweils mit einem Durchflussregler ausgestattet sind. Eine solche Ausgestaltung erweist sich auch dann als günstig, wenn beispielsweise eine bestimmte – konstante – Zusammensetzung einer Reaktandgasmischung in die Zündkammer eingeleitet werden soll, wie beispielsweise eine Reaktandgasmischung mit einer Inertgaskomponente mit einem vorgegebenen Anteil einer Reaktandgaskomponente, wie beispielsweise Sauerstoff.
Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass in die Zündkammer wenigstens ein weiterer Volumen- oder Massenstrom wenigstens eines weiteren Gases oder einer weiteren Gasmischung eingeleitet wird, sofern es erwünscht ist, den Einfluss weiterer Gaskomponenten, welche mit konstantem oder veränderlichem Volumen- oder Massenstrom in die Zündkammer eingeleitet werden können, auf die Zündgrenzen zu ermitteln.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zu diesem Zweck wenigstens einen dritten Einlass zum Einleiten eines weiteren Volumen- oder Massenstrom eines weiteren Gases oder einer weiteren Gasmischung mit einem dritten Durchflussregler aufweisen.
Das Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer kann insbesondere sensorisch erfasst werden, um eine automatisierte Ermittlung der Zündgrenze zu ermöglichen. Hierfür kommen grundsätzlich beliebige, zur Bestimmung der Zündung eines Gasgemisches geeignete Sensoren in Betracht, wie beispielsweise Druck-, Wärmesensoren und dergleichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann überdies vorgesehen sein, dass die Volumen- oder Massenströme der in die Zündkammer eingeleiteten Gase oder Gasmischungen auf eine vorgegebene Temperatur temperiert und/oder mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt werden, um die in aller Regel sowohl druck- als auch temperaturabhängigen Zündgrenze bei den relevanten Temperatur- und Druckbedingungen zu ermitteln.
Zu diesem Zweck kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Einlässe und/oder die Zündkammer temperierbar und/oder mit Druck beaufschlagbar sind. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass folglich auch die Möglichkeit besteht, die Zündtemperatur oder den Zünddruck eines bestimmten Gasgemisches zu ermitteln, indem z. B. die in die Zündkammer eingeleiteten Volumen- oder Massenströme des Probengases/der Probengasmischung sowie des Reaktandgases/der Reaktandgasmischung etwa konstant gehalten werden und ferner einer der Parameter Druck und Temperatur gleichfalls konstant gehalten wird, während der andere der Parameter Temperatur und Druck sukzessive oder kontinuierlich erhöht wird, bis das Gasgemisch zündet.
Das Verfahren kann entweder einmalig durchgeführt werden oder – nach Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer – ein- oder mehrmalig wiederholt werden, um beispielsweise einen statistisch abgesicherten Wert der Zündgrenzen zu erhalten. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Verfahrensschritte (a) bis (d) fortwährend in regel- oder unregelmäßigen Zeitabständen wiederholt durchgeführt werden, um insbesondere im Falle einer veränderlichen Zusammensetzung einer Reaktandgasmischung stets die aktuellen Zündgrenzen zu ermitteln und im Falle kritischer Zusammensetzungen gegebenenfalls sicherheitstechnische Schutzmaßnahmen ergreifen zu können.
Wie bereits angedeutet, kann das Reaktandgas insbesondere Sauerstoff sein oder kann die Reaktandgasmischung insbesondere Sauerstoff als Reaktandgaskomponente enthalten. Im Falle einer Reaktandgasmischung kann diese insbesondere wenigstens eine Inertgaskomponente enthalten, wie beispielsweise Stickstoff oder selbstverständlich auch andere Inertgase, wie Kohlendioxid, Helium, Argon und dergleichen. Sofern die Zündgrenzen des Gasgemisches in Umgebungsluft ermittelt werden sollen, kann beispielsweise als Reaktandgasmischung Luft verwendet oder kann mit einer Sauerstoff-/Inertgasmischung, z. B. einer Sauerstoff-/Stickstoffmischung, Luft modelliert werden.
Um die Zündgrenzen in automatisierter Weise zu ermitteln, kann eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise eine elektronische Auswerteeinheit aufweisen, welche zum sensorisch erfassten Zündzeitpunkt aus den Volumen- oder Massenströmen des Probengases oder der Probengasmischung sowie des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung sowie gegebenenfalls dem weiteren Volumen- oder Massenstrom des weiteren Gases oder der weiteren Gasmischung durch den ersten und zweiten sowie gegebenenfalls den dritten Durchflussregler die Zündgrenze des Gasgemisches ermittelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigt:
1 eine schematische Ansicht der wesentlichen Bestandteile einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der Zündgrenzen eines Gasgemisches.
Die in 1 schematisch wiedergegebene Vorrichtung umfasst eine explosionsgeschützte Zündkammer 1, in deren Zündraum 2 eine Zündquelle 3 angeordnet ist, wie beispielsweise eine elektrische Zündelektrode, ein Gaszündbrenner oder dergleichen. Die Vorrichtung weist einen ersten Einlass 4 auf, welcher mit einem ersten Durchflussregler 5 versehen ist, um in die Zündkammer 1 beispielsweise ein Probengas oder eine Probengasmischung mit einem regelbaren, konstanten oder veränderlichen Volumen- oder Massenstrom einleiten zu können. Die Vorrichtung besitzt ferner einen zweiten Einlass 6, welcher sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in zwei Zuleitungen 6a, 6b verzweigt, welche jeweils mit einem zweiten Durchflussregler 7a, 7b ausgestattet sind. Die in den zweiten Einlass 6 mündende Zuleitungen 6a, 6b mit ihren Durchflussreglern 7a, 7b dienen beispielsweise zum Einleiten eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in die Zündkammer 1, deren Zusammensetzung durch entsprechende Regelung der Durchflussregler 7a, 7b konstant gehalten oder verändert werden kann, wobei selbstverständlich auch einer der Durchflussregler 7a, 7b geschlossen werden kann, sofern nur ein Reaktandgas oder eine ”fertige” Reaktandgasmischung eingesetzt werden soll. Der erste Einlass 4 und der zweite Einlass 6 münden beispielsweise stromauf der Zündkammer 1 ineinander ein, wobei sich an die Mündungsstelle 8 gegebenenfalls eine Mischstrecke 9 anschließen kann, welche zum möglichst homogenen Vermischen der Gasströme dient und das Gasgemisch an die Zündquelle 3 überführt. Sofern gewünscht, können auch weitere Einlässe (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welche ihrerseits mit entsprechenden Durchflussreglern (ebenfalls nicht dargestellt) ausgestattet sein sollten, um die Zündgrenzen eines eine oder mehrere zusätzliche Komponenten enthaltenden Gasgemisches zu ermitteln und beispielsweise den Einfluss von zündhemmenden oder -fördernden Gaskomponenten zu untersuchen. Schließlich weist die Vorrichtung einen aus der Zündkammer 1 herausführenden Auslass 11 zum Ausleiten des Gasgemisches bzw. – sobald dieses gezündet worden ist – der entsprechenden Reaktionsgase auf.
In dem Einlass 4 und/oder in der Mischstrecke 9 kann ferner ein, vorzugsweise bedarfsweise einsetzbares und herausnehmbares, Filter (nicht gezeigt) angeordnet sein, um im Falle einer Partikelbeladung eines der Gasströme die Partikel bedarfsweise abscheiden zu können, sofern die Zündgrenzen eines solchen, partikelbeladenen Gasgemisches ohne Einfluss der Partikel hierauf ermittelt werden soll.
Wie des Weiteren der 1 zu entnehmen ist, weist die Vorrichtung ferner eine, z. B. elektrische, Temperiereinrichtung 10 auf, welche sich beispielsweise um zumindest einen Abschnitt der Mischstrecke 9 herum erstreckt, um das dort der Zündquelle 3 zugeleitete Gasgemisch auf diejenige Temperatur zu erwärmen oder zu kühlen, bei welcher dessen Zündgrenzen ermittelt werden sollen. Darüber hinaus ist der Zündraum 2 der Zündkammer 1 mit einem gewünschten Druck beaufschlagbar, was beispielsweise dadurch geschehen kann, dass der Auslass 11 mit einer Druckregeleinrichtung 12, wie z. B. einem Druckregelventil, ausgestattet ist, um in dem Zündraum 2 denjenigen Druck einstellen zu können, bei welchem die Zündgrenzen ermittelt werden sollen. Wie oben erwähnt, können die Heizeinrichtung 10 und die Druckregeleinrichtung 12 insbesondere auch mit entsprechenden Temperatur- bzw. Druckgradienten betrieben werden, um beispielsweise die Temperatur bzw. der Druck ermitteln zu können, bei welchem ein Gasgemisch mit gegebener Zusammensetzung zündet.
Darüber hinaus kann in der Zündkammer vorzugsweise wenigstens ein Sensor (nicht gezeigt), z. B. ein Wärme- oder Drucksensor, vorgesehen sein, welcher zur Bestimmung der Zündung eines Gasgemisches geeignet ist und zur automatisierten Ermittlung der Zündgrenze des Gasgemisches dient. Ein solcher Sensor kann zu diesem Zweck beispielsweise mit einer elektronischen Auswerteeinheit (ebenfalls nicht gezeigt) in Verbindung stehen, welche zum sensorisch erfassten Zündzeitpunkt aus den jeweiligen Volumen- oder Massenströmen durch den ersten Durchflussregler 5 sowie durch wenigstens einen der zweiten Durchflussregler 7a, 7b die Zündgrenze des Gasgemisches ermittelt und gegebenenfalls auf einer Anzeigeeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt) ausgibt.
Nachfolgend ist die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß 1 anhand einer exemplarischen Ermittlung der oberen bzw. unteren Zündgrenze eines Gasgemisches erläutert.
Zur Ermittlung der oberen Zündgrenze eines Gasgemisches aus einem Probengas oder einer Probengasmischung und einer Reaktandgasmischung (hier: beispielsweise eine Reaktandgasmischung aus einer Reaktandgaskomponente Sauerstoff (O₂) und einer Inertgaskomponente Stickstoff (N₂), mittels welcher z. B. die natürliche Atmosphäre simuliert werden kann) wird das Probengas mittels des Durchflussreglers 5 z. B. mit einem konstanten Volumenstrom über den Einlass 4 und die Mischstrecke 9 dem Zündraum 2 der Zündkammer 1 zugesetzt.
Mittels der Heizeinrichtung 10 und der Druckregeleinrichtung 12 werden die Temperatur- und Druckbedingungen eingestellt, bei welchen die obere Zündgrenze ermittelt werden soll. Sodann wird die Reaktandgasmischung aus einerseits Sauerstoff, andererseits Stickstoff mittels der Durchflussregler 7a, 7b über den Einlass 6 in den Volumenstrom des Probengases zugesetzt und in der Mischstrecke 9 in diesen eingemischt. Hierbei kann zum Einen der Volumenstrom der Reaktandgasmischung bei konstantem Mischungsverhältnis sukzessive bzw. schrittweise oder mehr oder minder kontinuierlich, z. B. beginnend mit einem Volumenstrom von 0 (reines Probengas), erhöht werden, oder es kann zum Anderen beispielsweise auch ein konstanter Volumenstrom der Reaktandgasmischung eingestellt werden, welcher zunächst überwiegend oder gänzlich aus der Inertgaskomponente Stickstoff besteht und in welchem sukzessive bzw. schrittweise oder mehr oder minder kontinuierlich, z. B. beginnend mit einem Reaktandgas- bzw. Sauerstoffanteil von 0 (reines Probengas-/Stickstoffgemisch), der Anteil an reaktivem Sauerstoff erhöht wird. Dies geschieht jeweils so lange, bis das Gasgemisch von der Zündquelle 3 gezündet wird. Der Zündzeitpunkt wird sensorisch erfasst und wird schließlich aus dem Verhältnis einerseits des Volumenstromes des Probengases durch den Durchflussregler 5, andererseits des Volumenstromes an Reaktandgasmischung durch die Durchflussregler 7a, 7b (oder des anteiligen Sauerstoff-Volumenstromes durch den Durchflussregler 7a) zu diesem Zündzeitpunkt die obere Zündgrenze des Probengases in der Reaktandgasmischung errechnet.
Zur Ermittlung der unteren Zündgrenze eines entsprechenden Gasgemisches aus einem Probengas oder einer Probengasmischung und einer Reaktandgasmischung (hier: wiederum beispielsweise eine Reaktandgasmischung aus einer Reaktandgaskomponente Sauerstoff (O₂) und einer Inertgaskomponente Stickstoff (N₂), mittels welcher z. B. die natürliche Atmosphäre simuliert werden kann) werden die Reaktandgaskomponente (Sauerstoff) mittels des Durchflussreglers 7a sowie die Inertgaskomponente (Stickstoff) mittels des Durchflussreglers 7b z. B. wiederum mit einem jeweils konstanten Volumenstrom und konstanten Anteilen über die Zuleitungen 6a, 6b, den Einlass 6 und die Mischstrecke 9 dem Zündraum 2 der Zündkammer 1 zugesetzt. Mittels der Heizeinrichtung 10 und der Druckregeleinrichtung 12 werden die Temperatur- und Druckbedingungen eingestellt, bei welchen die obere Zündgrenze ermittelt werden soll. Sodann wird das Probengas mittels des Durchflussreglers 5 über den Einlass 4 in den Volumenstrom der Reaktandgasmischung zugesetzt und in der Mischstrecke 9 in diesen eingemischt, wobei der Volumenstrom des Probengases sukzessive bzw. schrittweise oder mehr oder minder kontinuierlich, z. B. beginnend mit einem Volumenstrom von 0 (reines Reaktandgas), erhöht werden kann.
Stattdessen ist es beispielsweise auch möglich, dass sowohl der Volumenstrom des Probengases mittels des Durchflussreglers 5 als auch der Volumenstrom der Reaktandgasmischung insgesamt mittels der Durchflussregler 7a, 7b im Wesentlichen konstant gehalten wird, wobei allerdings der Anteil an der Reaktandgaskomponente Sauerstoff in der Reaktandgasmischung sukzessive bzw. schrittweise oder mehr oder minder kontinuierlich, z. B. beginnend mit einem Anteil von 100% (reiner Sauerstoff) verringert wird, während der Anteil an der Inertgaskomponente Stickstoff in entsprechendem Maße erhöht wird, so dass auch auf diese Weise der (z. B. konstante) Volumenstrom des Probengases in Bezug auf die in dem Volumenstrom der Reaktandgasmischung enthaltene Reaktandgaskomponente Sauerstoff, deren Anteil in dem Volumenstrom der Reaktandgasmischung ja vermindert wird, sukzessive bzw. schrittweise oder mehr oder minder kontinuierlich erhöht wird.
Dies geschieht wiederum jeweils so lange, bis das Gasgemisch von der Zündquelle 3 gezündet wird. Der Zündzeitpunkt wird sensorisch erfasst und wird schließlich aus dem Verhältnis einerseits des Volumenstromes des Probengases durch den Durchflussregler 5, andererseits des Volumenstromes an Reaktandgasmischung durch die Durchflussregler 7a, 7b (oder des anteiligen Sauerstoff-Volumenstromes durch den Durchflussregler 7a) zu diesem Zündzeitpunkt die untere Zündgrenze des Probengases in der Reaktandgasmischung errechnet.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der oberen Zündgrenze eines Gasgemisches, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (a) Einleiten eines Probengases oder einer Probengasmischung in eine mit einer Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1) mit einem vorgegebenen ersten Volumen- oder Massenstrom; (b) Einleiten eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in die mit der Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1) mit einem vorgegebenen zweiten Volumen- oder Massenstrom, wobei der zweite Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom kontinuierlich oder sukzessive erhöht wird; (c) Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer (1); und (d) Ermitteln der oberen Zündgrenze als dem Volumen- oder Massenverhältnis des Probengases oder der Probengasmischung in Bezug auf das Reaktandgas oder die Reaktandgasmischung zum Zündzeitpunkt aus dem ersten Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den zweiten Volumen- oder Massenstrom zum Zündzeitpunkt.
Verfahren zur Ermittlung der unteren Zündgrenze eines Gasgemisches, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (a) Einleiten eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in eine mit einer Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1) mit einem vorgegebenen ersten Volumen- oder Massenstrom; (b) Einleiten eines Probengases oder einer Probengasmischung in die mit der Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1) mit einem vorgegebenen zweiten Volumen- oder Massenstrom, wobei der zweite Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom kontinuierlich oder sukzessive erhöht wird; (c) Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer (1); und (d) Ermitteln der unteren Zündgrenze als dem Volumen- oder Massenverhältnis des Probengases oder der Probengasmischung in Bezug auf das Reaktandgas oder die Reaktandgasmischung zum Zündzeitpunkt aus dem zweiten Volumen- oder Massenstrom in Bezug auf den ersten Volumen- oder Massenstrom zum Zündzeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Volumen- oder Massenstrom des Probengases oder der Probengasmischung oder – der Volumen- oder Massenstrom des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Reaktandgasmischung deren Volumen- oder Massenstrom unter Aufrechterhaltung eines im Wesentlichen konstanten Mischungsverhältnisses in Bezug auf den Volumen- oder Massenstrom des Probengases oder der Probengasmischung – bei der Ermittlung der oberen Zündgrenze erhöht bzw. – bei der Ermittlung der unteren Zündgrenze verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Reaktandgasmischung deren Volumen- oder Massenstrom insgesamt im Wesentlichen konstant gehalten und der Volumen- oder Massenanteil wenigstens einer Reaktandgaskomponente in der Gasmischung in Bezug auf wenigstens eine Inertgaskomponente in der Gasmischung – bei der Ermittlung der oberen Zündgrenze erhöht bzw. – bei der Ermittlung der unteren Zündgrenze verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zündkammer (1) wenigstens ein weiterer Volumen- oder Massenstrom wenigstens eines weiteren Gases oder einer weiteren Gasmischung eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zünden des Gasgemisches in der Zündkammer (1) sensorisch erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen- oder Massenströme auf eine vorgegebene Temperatur temperiert und/oder mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrmals wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktandgas Sauerstoff ist oder die Reaktandgasmischung Sauerstoff als Reaktandgaskomponente enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktandgasmischung wenigstens eine Inertgaskomponente, insbesondere Stickstoff, enthält.
Vorrichtung zur Ermittlung der Zündgrenzen eines Gasgemisches, insbesondere zu Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: – eine mit wenigstens einer Zündquelle (3) versehene Zündkammer (1); – wenigstens einen ersten Einlass (4, 9) zum Einleiten eines Volumen- oder Massenstromes eines Probengases oder einer Probengasmischung in die Zündkammer (1) mit wenigstens einem ersten Durchflussregler (5); – wenigstens einen zweiten Einlass (6, 9) zum Einleiten eines Volumen- oder Massenstromes eines Reaktandgases oder einer Reaktandgasmischung in die Zündkammer (1) mit wenigstens einem zweiten Durchflussregler (7a, 7b); – wenigstens einen Auslass (11) zum Ausleiten des Gasgemisches aus der Zündkammer (1); und – wenigstens einen Sensor, welcher zur Erfassung der Zündung des Gasgemisches in der Zündkammer (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Einlässe (6) wenigstens zwei Zuleitungen (6a, 6b) umfasst, welche jeweils mit einem Durchflussregler (7a, 7b) ausgestattet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen dritten Einlass zum Einleiten eines weiteren Volumen- oder Massenstromes eines weiteren Gases oder einer weiteren Gasmischung mit einem dritten Durchflussregler aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (4, 6, 9) und/oder die Zündkammer (1) temperierbar (10) und/oder mit Druck beaufschlagbar (12) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektronische Auswerteeinheit aufweist, welche zum sensorisch erfassten Zündzeitpunkt aus den Volumen- oder Massenströmen des Probengases oder der Probengasmischung sowie des Reaktandgases oder der Reaktandgasmischung sowie gegebenenfalls dem weiteren Volumen- oder Massenstrom des weiteren Gases oder der weiteren Gasmischung durch den ersten (5) und zweiten (7a, 7b) sowie gegebenenfalls den dritten Durchflussregler die Zündgrenze des Gasgemisches ermittelt.