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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für einen Endogasgenerator, umfassend eine Steuereinheit, über welche eine Produktion von Endogas regelbar und dabei eine durch den Endogasgenerator hergestellte Endogasmenge automatisch an einen tatsächlichen Bedarf anpassbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Endogasgenerator, sowie ein Verfahren zur Regelung mindestens eines Endogasgenerators.
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Stand der Technik
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Endogasgeneratoren kommen bei Wärmebehandlungsanlagen zur Anwendung und dienen dort der Herstellung von Endogas, welches bei der Wärmebehandlung zum Schutz der Oberflächen von zu wärmebehandelnden Gütern oder auch zur Veränderung von deren chemischer Zusammensetzung herangezogen wird. Endogase bestehen dabei im Wesentlichen aus den Komponenten Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff, welche in dem jeweiligen Endogasgenerator mittels einer katalytischen Reaktion aus Luftsauerstoff und Erdgas produziert worden sind.
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Häufig versorgt ein Endogasgenerator mehrere Industrieöfen gleichzeitig und ist von seiner zu produzierenden Menge an Endogas auf den Bedarf der zugehörigen Industrieöfen eingestellt. Da allerdings bei einem Betrieb mehrerer Industrieöfen schwankende Betriebszustände und entsprechende diskontinuierliche Endogasabnahmen auftreten, beispielsweise indem einzelne Industrieöfen zwischendurch außer Betrieb gesetzt werden, kommt es dann häufig zu einer Überproduktion an Endogas durch den jeweiligen Generator, wobei dieser Überschuss dann aufgrund der Brennbarkeit und Toxizität des Endogases am Generatorausgang abgefackelt werden muss. Weil dies für einen unnötigen Verbrauch an Endogas sorgt, kommen neben manuell einstellbaren Systemen auch Steuerungssysteme für Endogasgeneratoren zum Einsatz, über welche eine produzierte Endogasmenge automatisch an einen tatsächlichen Bedarf angepasst werden kann.
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Aus der
US 7,276,209 B2 geht ein Steuerungssystem für einen Endogasgenerator mit einer Steuereinheit hervor, über welche eine Produktion von Endogas geregelt und dabei eine hergestellte Endogasmenge automatisch an einen tatsächlichen Bedarf angepasst wird. Die Endogasmenge wird dabei dadurch eingestellt, dass die Steuereinheit eine Luftmenge über ein Gebläse einregelt und dieser Luftmenge dann über ein Ventil eine passende Gasmenge zudosiert wird.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem für einen Endogasgenerator zu schaffen, mittels welchem eine produzierte Endogasmenge automatisch an einen tatsächlichen Bedarf angepasst werden kann, gleichzeitig aber eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird aus vorrichtungstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Aus verfahrenstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung. der Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 5 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen. Die hierauf jeweils folgenden, abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Steuerungssystem für einen Endogasgenerator eine Steuereinheit, über welche eine Produktion von Endogas geregelt und dabei eine durch den Endogasgenerator hergestellte Endogasmenge automatisch an einen tatsächlichen Bedarf angepasst werden kann. Dementsprechend wird bei einem Verfahren zur Regelung mindestens eines Endogasgenerators eine durch den mindestens einen Endogasgenerator produzierte Menge an Endogas automatisch durch eine Steuereinheit je eines Steuerungssystems geregelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem kann es sich im Sinne der Erfindung um einen bei der Fertigung eines Endogasgenerators von vornherein her vorgesehenen Bestandteil handeln, alternativ dazu kann das Steuerungssystem aber auch als Nachrüstsatz ausgeführt sein, welcher dann bei einem bereits bestehenden Endogasgenerator im Nachhinein zur automatischen Anpassung einer produzierten Gasmenge an den tatsächlichen Bedarf vorgesehen wird.
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Der Endogasgenerator, bei welchem das erfindungsgemäße Steuerungssystem zur Anwendung kommt, verfügt erfindungsgemäß bevorzugt über eine Retorte mit Katalysatorfüllung, in welcher die zugeführte Luftmenge, sowie die Gasmenge im Rahmen einer Katalyse zu dem Endogas reagieren. Das Endogas wird dabei insbesondere aus den Komponenten Luft und Erdgas hergestellt. Des Weiteren ist der Retorte bevorzugt ein Mischer vorgeschaltet, in welchem die beiden miteinander in Reaktion zu bringenden Gase bereits gemischt werden. Ausgangsseitig der Retorte verfügt der Endogasgenerator dann über einen Gaskühler, über welchen das erzeugte Endogas gekühlt und damit ein Ausscheiden von Ruß aus dem Gas vermieden werden kann. Der Kühler kann dabei im Sinne der Erfindung als Gas-Wasserkühler oder als Gas-Luftkühler vorliegen.
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Die Anpassung der herzustellenden Endogasmenge erfolgt insbesondere durch Einregelung einer Luftmenge und Zudosierung einer für die Katalyse zu Endogas benötigten Menge an Gas. Besonders bevorzugt wird die Luftmenge dabei über ein elektronisch geregeltes Luftgebläse eingestellt, während das entsprechende Gas über ein regelbares Linearstellglied zudosiert wird, welches insbesondere als feinregulierbare Drosselklappe in der Gaszuführleitung vorliegt. Das Gebläse ist dabei dann zwischen dem Mischer und der Retorte vorgesehen.
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Ferner ist der ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem aufweisende Endogasgenerator bevorzugt mit einem Stickstoffstrang ausgestattet, über welchen durch Ansteuerung eines entsprechenden Ventils Sicherheitsstickstoff zugeführt und damit eine Spülung des Endogasgenerators und ein Verdrängen von Endogas aus der Retorte realisiert werden kann, ohne dass der Stickstoff dabei in ein Versorgungssystem für den Endogasgenerator nachgeschaltete Industrieöfen gelangen kann. Schließlich ist zudem stromabwärts der Retorte insbesondere eine Taupunktmesseinrichtung vorgesehen, sowie eine Abfackeleinrichtung mit Überdruckventil angeordnet, über die überschüssiges Endogas abgefackelt bzw. im Sicherheitsfall eingeleiteter Stickstoff abgeführt werden kann.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass bei dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem zudem eine von der Steuereinheit unabhängige Überwachungseinheit vorgesehen ist, über welche die Produktion von Endogas eigenständig überwachbar ist. Für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung mindestens eines Endogasgenerators bedeutet dies, dass die Produktion von Endogas zusätzlich durch eine von der Steuereinheit unabhängige Überwachungseinheit des je einen Steuerungssystems überwacht wird. Mit anderen Worten wird also unabhängig von der Regelung über die Steuereinheit mittels einer separaten Einheit kontrolliert, ob eine Mischung von Luft und Gas in zulässiger Weise, d. h. mit einem zulässigen Mischungsverhältnis, stattfindet.
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Eine derartige Ausgestaltung eines Steuerungssystems hat dabei den Vorteil, dass Fehler und auch sicherheitskritische Zustände bei der Produktion von Endogas nahezu ausgeschlossen werden können. Denn dadurch, dass die Produktion von Endogas durch eine weitere und von der Steuereinheit unabhängige Überwachungseinheit zusätzlich überwacht wird, wird eine unzulässige Mischung von Luft und Gas, entweder im Rahmen der Produktion einer unveränderten Menge an Endogas oder auch im Zuge einer Anpassung der Produktionsmenge, auch dann erkannt, wenn die Steuereinheit oder deren zugehörige Sensorik eine Fehlfunktion aufweist. So kann es durch die unabhängige Überwachung nicht dazu kommen, dass beispielsweise ein Luftanteil in dem zur Retorte gelangenden Gas-Luftgemisch zu groß wird und im Folgenden freier Sauerstoff in das Versorgungssystem der nachgeschalteten Industrieöfen gelangt. Freier Sauerstoff würde nämlich einen negativen Einfluss auf das zu behandelnde Gut haben und könnte unter ungünstigen Umständen auch für Rückzündungen in das Rohrleitungssystem sorgen.
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Im Unterschied dazu erfolgt bei dem Steuerungssystem der
US 7,276,209 B2 eine Überwachung der ordnungsgemäßen Mischung von Luft und Gas lediglich durch die Steuereinheit. Dies hat allerdings bei Fehlfunktionen der Steuereinheit oder auch einer Sensorik der Steuereinheit zur Folge, dass sicherheitskritische Zustände auftreten können, bei welchen ein erhöhter Sauerstoffanteil in die Endogasproduktion einbezogen wird und anschließend auch in ein Versorgungsleitungssystem von Industrieöfen gelangt.
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Erfindungsgemäß ist unter einer „Steuereinheit” eine Einrichtung des Steuerungssystems zu verstehen, welche vollautomatisch eine Mischung von Gas und Luft in dem zugehörigen Endogasgenerator anleiten und überwachen kann. Dabei ist diese Steuereinheit bei einer Veränderung einer durch einen oder mehrere Industrieöfen abgefragten Endogasmenge dazu in der Lage, diese Anpassung ohne Eingriff einer Bedienperson vorzunehmen. Besonders bevorzugt erkennt die Steuereinheit eine Veränderung der nachgefragten Endogasmenge, indem ein Druck in einer Prozessabgasabführleitung des jeweiligen Endogasgenerators überwacht wird.
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Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung steht die Überwachungseinheit mit jeweils einem Drucksensor für eine Luftzuführleitung und für eine Gaszuführleitung in Verbindung, wobei die Produktion von Endogas über die Überwachungseinheit durch Abgleichen einer Differenz von über die Drucksensoren erfassten Drücken überwacht werden kann. Im Rahmen eines Verfahrens zur Regelung mindestens eines Endogasgenerators wird durch die Überwachungseinheit aus den abgefragten Drücken in der Luftzuführleitung und der Gaszuführleitung ein jeweiliger Differenzdruck gebildet und im Folgenden abgeglichen. Da das Mischungsverhältnis von Gas und Luft unabhängig von der Förderleistung des jeweiligen Endogasgenerators immer gleich sein sollte, kann über einen Differenzdruckabgleich erfasst werden, ob sich das Mischungsverhältnis in einem zulässigen Bereich befindet, wobei im Falle einer Abweichung auf eine Fehlfunktion geschlossen werden kann.
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Wird dabei eine derartige Fehlfunktion durch die Überwachungseinheit erkannt, so nimmt die Überwachungseinheit eine Notabschaltung des Endogasgenerators vor. Diese Notabschaltung kann dabei insbesondere durch Einleitung von Sicherheitsstickstoff realisiert sein, durch welchen unzulässig hergestelltes Endogas verdrängt wird und im Folgenden verbrannt werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung steht die Steuereinheit mit einem Durchflussmessgerät für eine Luftzuführleitung und mit einem Durchflussmessgerät für eine Gaszuführleitung in Verbindung, wobei über die Steuereinheit an den tatsächlichen Bedarf angepasste Luft- und Gasmengen anhand der durch die Durchflussmessgeräte erfassten Durchflüsse einstellbar ist.
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Im Zuge des Verfahrens zur Regelung mindestens eines Endogasgenerators wird dann durch die Steuereinheit die Menge an Endogas durch Regelung einer Mischung einer Luftmenge mit einer Gasmenge eingestellt, wobei die Steuereinheit zur Einstellung der Luftmenge ein elektronisches Luftgebläse und zur Einstellung der Gasmenge ein Linearstellglied regelt. Dies hat den Vorteil, dass durch die Steuereinheit des je einen Steuerungssystems eine präzise Einstellung einer Mischung aus Gas und Luft vorgenommen werden kann.
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Es ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, dass die Menge an produziertem Endogas in einem Produktionsleistungsbereich von 10 bis 100% eingestellt wird. In der Folge kann ein sehr breiter Bereich abgedeckt werden, so dass bei Versorgung mehrerer Industrieöfen problemlos auch auf eine gleichzeitige Abschaltung mehrerer Öfen reagiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Endogasgeneratoren gemeinsam geregelt, indem Steuerungssysteme dieser Endogasgeneratoren durch eine übergeordnete Steuerung angeleitet werden. Hierdurch kann bei einer Versorgung von Industrieöfen über mehrere Endogasgeneratoren die durch den einzelnen Endogasgenerator gelieferte Menge an Endogas optimal eingestellt werden, wobei ein möglichst hoher Wirkungsgrad des einzelnen Generators angestrebt wird. Dabei können, insbesondere bei einer geringen zu liefernden Endogasmenge, einzelne Endogasgeneratoren durch die übergeordnete Steuerung gezielt abgeschaltet werden.
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Im Sinne der Erfindung kann der Endogasgenerator zudem über ein Bedienfeld verfügen, an welchem neben Eingaben verschiedene erfasste Parameter, wie die Gaszufuhr, die Gasverbrauchshistorie, die Luftzufuhr, das aktuell produzierte Endogasvolumen, die Endogasvolumenhistorie, der Retortenvordruck, der Retortenhinterdruck, die Endogastemperatur und der Taupunkt mit Verlaufskurve, etc., abgerufen werden können. Zudem können hier ggf. Warn- und Störmeldungen angezeigt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der nebengeordneten Ansprüche oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform oder unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnung durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, die nachfolgend erläutert wird, ist in der Zeichnung dargestellt.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Ansicht eines Endogasgenerators, über welchen Endogas für Industrieöfen hergestellt werden kann. Dieses Endogas wird dabei innerhalb des Endogasgenerators mittels einer katalytischen Reaktion in einer Retorte 1 aus Luft und einem Gas, bevorzugt in Form von Erdgas, hergestellt, wobei die Luft mittels einer Luftzuführleitung 2 und das Gas mittels einer Gaszuführleitung 3 zugeführt und in einem der Retorte 1 vorgeschalteten Mischer 4 in einem bestimmten Mischungsverhältnis gemischt wird. Anschließend wird aus der Mischung aus Gas und Luft in der Retorte 1 im Zuge der katalytischen Reaktion dann das Endogas.
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Zur Regelung der Produktion des Endogases und zur automatischen Anpassung der hergestellten Endogasmenge an einen tatsächlichen Bedarf umfasst der Endogasgenerator ein Steuerungssystem 5 mit einer Steuereinheit 6 und einer Überwachungseinheit 7. Von den beiden vorgenannten Komponenten des Steuerungssystems 5 regelt die Steuereinheit 6 die Produktion des Endogases und nimmt dabei die vorgenannte Anpassung der hergestellten Endogasmenge an den tatsächlichen Bedarf vor, indem sie die Mengen an zum Mischer 4 geführten Gas und Luft reguliert.
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Vorliegend wird eine Veränderung der Abnahmemenge an Endogas durch die Steuereinheit 6 über einen Drucksensor 8 erfasst, welcher der Retorte 1 nachgeschaltet in einer Endogasabführleitung 9 des Endogasgenerators angeordnet ist, die im angeschlossenen Zustand des Endogasgenerators mit einer entsprechenden Versorgungsleitung eines oder mehrerer Industrieöfen verbunden ist. Dabei kann die Steuereinheit 6 eine Veränderung der Abnahmemenge anhand einer Veränderung des Drucks in der Endogasabführleitung 9 detektieren.
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Wird nun eine Druckänderung durch die Steuereinheit 6 erkannt, so nimmt die Steuereinheit 6 eine Anpassung der Menge an Luft und Gas vor, um einen Solldruckwert in der Endogasabführleitung 9 zu erreichen und dementsprechend die produzierte Endogasmenge an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Zu diesem Zweck wird in einem ersten Schritt die über die Luftzuführleitung 2 zugeführte Luftmenge verändert, indem die Steuereinheit 6 ein zwischen Retorte 1 und Mischer 4 sitzendes, elektronisch geregeltes Luftgebläse 10 entsprechend hoch- bzw. herunterregelt. Dabei überwacht die Steuereinheit 6 die Luftmenge über ein Durchflussmessgerät 11 in der Luftzuführleitung 2.
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Zur Anpassung der Gasmenge an die nunmehr neu eingestellte Luftmenge greift die Steuereinheit 6 unmittelbar im Folgenden auf ein elektronisch geregeltes Linearstellglied 12 in der Gaszuführleitung 3 zu, welches vorliegend als feinregulierbare Drosselklappe ausgestaltet ist. Dem Linearstellglied 12 ist zudem, wie in der einzigen Fig. zu erkennen ist, ein Durchflussmessgerät 13 vorgeschaltet, über welches die dem Mischer 4 zugeführte Gasmenge durch die Steuereinheit 6 überprüft werden kann. Insgesamt kann die Steuereinheit 6 durch entsprechende Regelung des Gebläses 10 und des Linearstellgliedes 12 eine Mischung aus Luft und Gas im Mischer 4 einstellen.
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Nachdem die Luft und das Gas in dem Mischer 4 erstmalig zusammengeführt wurden, werden sie über ein Einspeisesystem 14, welches über mehrere – vorliegend nur stark schematisch dargestellte – unterschiedliche Rohrleitungen verfügt, zur Retorte 1 geführt. Die Rohrleitungen können über eine Ventilsteuerung 15 im Einzelnen zu- oder abgeschaltet werden, um eine Einströmgeschwindigkeit in die Retorte 1 über einem vordefinierten Mindestwert zu halten.
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Im Anschluss an die katalytische Reaktion in der Retorte 1, welche zur Unterstützung der Reaktion über eine elektrische oder gasversorgte – vorliegend nicht dargestellte – Beheizungseinrichtung aufgeheizt wurde, wird das hergestellte Endogas unmittelbar im Anschluss an die Retorte 1 einer Kühleinrichtung 16 zugeführt, welche wasser- oder luftgekühlt ausgestaltet ist und eine Abkühlung des produzierten Endogases vornimmt, um ein Ausscheiden von Ruß aus dem Gas zu vermeiden. Hierdurch wird der Kohlenmonoxidgehalt im Endogas hochgehalten und ein Verstopfen der Endogasabführleitung 9 vermieden. Die Temperatur des Endogases wird dabei im Anschluss an die Kühleinrichtung 16 mittels eines Temperatursensors 17 überwacht.
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Weiter im Anschluss an die Temperaturmessung mittels des Temperatursensors 17 und vor einer Messung des Drucks in der Endogasabführleitung 9 erfolgt eine Taupunktmessung im Endogas mittels einer – schematisch dargestellten – Taupunktmesseinrichtung 18. Wird dabei über die Taupunktmesseinrichtung 18 eine Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert detektiert, so wird über einen Bypass 19 durch Ansteuerung eines Ventils 20 eine Korrektur der Luftmenge vorgenommen.
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Im Bereich der Taupunktmesseinrichtung 18 ist zudem, wie in der einzigen Fig. zu erkennen ist, eine Abfackeleinrichtung 21 vorgesehen, über welche im Falle einer trotz Regelung über die Steuereinheit 6 stattfindenden Überproduktion an Endogas eine gezieltes Abfackeln des Gases vorgenommen werden kann, wodurch ein Überdruck in der Endogasabführleitung 9 vermieden wird.
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Parallel zu der Luftzuführleitung 2 ist zudem eine Stickstoffzuführleitung 22 angeordnet, aus welcher dem Mischer 4 und im Folgenden auch der Retorte 1 durch Öffnen eines Ventils 23 Sicherheitsstickstoff zugeführt und dadurch Endogas aus der Retorte 1 verdrängt werden kann. Das hierbei verdrängte Endogas würde bei Ansteuerung des Ventils 23 im Störfall dann mittels der Abfackeleinrichtung 21 verbrannt werden.
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Die neben der Steuereinheit 6 im Steuerungssystem 5 vorgesehene Überwachungseinheit 7 nimmt nun unabhängig von der Steuereinheit 6 eine eigenständige Überwachung der Produktion von Endogas vor, indem die Überwachungseinheit 7 mit zwei Drucksensoren 24 und 25 in der Luftzuführleitung 2 und der Gaszuführleitung 3 zum Mischer 4 in Verbindung steht. Dabei wird durch die Überwachungseinheit 7 ein Mischungsverhältnis von Luft zu Gas überprüft, welches unabhängig von der aktuellen Förderleistung des Endogasgenerators ist. Hierbei erfasst die Überwachungseinheit 7 das aktuelle Mischungsverhältnis, indem sie aus den über die Sensoren 24 und 25 erfassten Drücken einen Differenzdruck bildet und diesen Wert abgleicht. Erfasst die Überwachungseinheit 24 nun eine über einen vorgegebenen Grenzwert hinausgehende Abweichung, so nimmt sie eine Sicherheitsabschaltung des Endogasgenerators vor.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Steuerungssystems für einen Endogasgenerator kann bei Realisierung einer automatischen Anpassung der herzustellenden Endogasmenge an einen tatsächlichen Bedarf die Sicherheit des Systems erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Retorte
- 2
- Luftzuführleitung
- 3
- Gaszuführleitung
- 4
- Mischer
- 5
- Steuerungssystem
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Überwachungseinheit
- 8
- Drucksensor
- 9
- Endogasabführleitung
- 10
- Luftgebläse
- 11
- Durchflussmessgerät
- 12
- Linearstellglied
- 13
- Durchflussmessgerät
- 14
- Einspeisesystem
- 15
- Ventilsteuerung
- 16
- Kühleinrichtung
- 17
- Temperatursensors
- 18
- Taupunktmesseinrichtung
- 19
- Bypass
- 20
- Ventil
- 21
- Abfackeleinrichtung
- 22
- Stickstoffzuführleitung
- 23
- Ventil
- 24
- Drucksensor
- 25
- Drucksensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7276209 B2 [0004, 0014]
