DE102013213730A1

DE102013213730A1 - Prozess-Schnittstelle eines nach dem Durchlichtverfahren arbeitenden Prozess-Gasanalysators

Info

Publication number: DE102013213730A1
Application number: DE102013213730.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Schumann; Yoann Stegle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-13
Also published as: US9274050B2; DE102013213730B4; CN104280342A; US20150077754A1; CN104280342B

Abstract

Eine Prozess-Schnittstelle eines nach dem Durchlichtverfahren arbeitenden Prozess-Gasanalysators weist ein Spülrohr (10) auf, das zwischen einem optoelektronischen Element und dem Inneren eines ein Prozessgas führenden Anlagenteils (1) verläuft. Das Spülrohr (10) ist an seinem dem optoelektronischen Element gegenüberliegenden Ende mit einem Fenster (15) abgeschlossen, in dessen Nähe eine Spülgaszuführung (13) in das Spülrohr (10) einmündet. Um das Fenster (15) von Verunreinigungen aus dem Prozessgas frei zu halten und bei der Verwendung von Wasserdampf als Spülgas (12) dessen Kondensation an dem Fenster (15) zu verhindern, ohne dass dazu ein hoher Spülgasverbrauch erforderlich ist, ist im Inneren des Spülrohres (10) gegenüber der Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13) ein zu dem Spülrohr (10) koaxiales Ringteil (17) mit einer konvexen Außenseite (18) angeordnet, deren Scheitellinie die Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13) in einen zu dem Fenster (15) hin geöffneten kleineren Bereich (19) und in einen zu dem Inneren des Anlagenteils (1) hin geöffneten größeren Bereich (20) unterteilt.

Description

Prozess-Schnittstelle eines nach dem Durchlichtverfahren arbeitenden Prozess-Gasanalysators, mit einem Messkopf, der ein Licht emittierendes oder empfangendes optoelektronisches Element enthält und an einem Prozessflansch eines ein zu analysierendes Gas enthaltenden oder führenden Anlagenteils montiert ist, mit einem Spülrohr, das zwischen dem optoelektronischen Element und dem Inneren des Anlagenteils durch den Prozessflansch verläuft, mit einem das Spülrohr an dem dem optoelektronischen Element gegenüberliegenden Ende abschließenden und das optoelektronische Element von dem Inneren des Anlagenteils trennenden Fenster, mit einer in einem Bereich nahe zum Fenster in das Spülrohr einmündenden Spülgaszuführung und mit einem im Inneren des Spülrohres gegenüber der Einmündung der Spülgaszuführung angeordneten und zu dem Spülrohr koaxialen Ringteil.
Eine derartige Prozess-Schnittstelle ist aus der EP 2 428 793 A1 bekannt.
Bei nach dem Durchlichtverfahren arbeitenden Gasanalysatoren wird das Licht einer Lichtquelle durch das zu analysierende Gas geleitet und anschließend detektiert. Bei einem Laserspektrometer wird z. B. das Licht wellenlängenselektiv erzeugt und breitbandig detektiert. Im Unterschied dazu wird z. B. bei einem nicht-dispersiven Infrarot(NDIR)-Gasanalysator das Licht breitbandig erzeugt und wellenlängenselektiv detektiert. Bei in-situ Prozess-Gasanalysatoren sind die Lichtquelle und der Detektor in unterschiedlichen Messköpfen untergebracht, die an Prozessflanschen auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten eines das zu messende Prozessgas enthaltenden oder führenden Anlagenteils (z. B. Abgasleitung, Behälter, Kamin) montiert sind. Damit die Lichtquelle und der Detektor nicht in Kontakt mit dem oft aggressiven, heißen und staubhaltigen Prozessgas kommen, sind sie hinter Fenstern angeordnet. Das Fenster schließt ein Ende eines Spülrohres ab, das mit seinem anderen offenen Ende in das gasführende Anlagenteil mündet und mit einem Spülgas bespült wird. Das Spülgas wird so gewählt, dass seine spektralen Absorptionslinien außerhalb der für die Messung genutzten Absorptionslinien des Prozessgases liegen. Das Spülgas tritt aus den offenen Enden der einander gegenüberliegenden Spülrohre aus, so dass die Messweglänge für die Absorptionsmessung des Prozessgases durch den Abstand der offenen Enden beider Spülrohre bestimmt wird.
Je höher der Spülgasdurchfluss ist, umso wirkungsvoller gelingt es, die Fenster von Verunreinigungen aus dem Prozessgas frei zu halten. Ein hoher Spülgasverbrauch ist jedoch mit entsprechend hohen Kosten verbunden und beeinflusst die Messung aufgrund der großen Spülgasgasmengen, die in die Messstrecke zwischen den einander gegenüberliegenden Spülrohren gelangen.
Die aus der oben erwähnten EP 2 428 793 A1 bekannte Prozess-Schnittstelle weist eine Spülgaszuführungseinheit mit einem rohrförmigen Flansch auf, in den eine Spülgaszuführung einmündet. In den Flansch ist ein Spülring eingeschoben, der ein System von untereinander verbundenen Nuten enthält, um das Spülgas gleichmäßig über den Umfang zu verteilen und schließlich über Bohrungen in den Rohrinnenraum zu leiten. Die Bohrungen sind derart ausgerichtet, dass sie den jeweiligen Gasstrom von dem zu spülenden Fenster wegleiten. Dadurch soll eine homogene, nahezu wirbelfreie Einströmung gewährleistet werden, so dass die erforderliche Spülgasmenge reduziert werden kann. Da das Fenster nicht direkt bespült wird, kann bei der Verwendung von Wasserdampf als Spülgas dieses an dem Fenster kondensieren.
Die DE 1 993 225 U beschreibt einen Spülluftvorsatz zum Schutz optischer Flächen, bei der ein im Inneren des Spülrohres gegenüber der Einmündung der Spülgaszuführung und in einem Abstand zu dem Fenster angeordnetes Ringteil zwischen sich und dem Spülrohr einen Ringspalt bildet, der in Richtung zu dem Fenster offen und in Richtung zu dem Inneren des Anlagenteils geschlossen ist. Das Spülgas wird vollständig zu dem Fenster geleitet und dort umgelenkt, so dass der Spülgasstrom anschließend verwirbelt ist. Turbulenzen stören die Messung, insbesondere die mit Laser, und erfordern im Vergleich zu einer ungestörten homogenen Spülgasströmung einen höheren Spülgasverbrauch, um dieselbe Spülwirkung zu erzielen.
Aus der DE 10 2004 018 534 B4 ist es bekannt, das Spülgas durch eine poröse Wandung in das Spülrohr zu leiten. Auch hier kommt es zu Turbulenzen der Spülgasströmung durch das Spülrohr.
Aus der EP 2 169 385 A1 ist ebenfalls eine Prozess-Schnittstelle mit langem Spülrohr bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Fenster von Verunreinigungen aus dem Prozessgas frei zu halten und bei der Verwendung von Wasserdampf als Spülgas dessen Kondensation an dem Fenster zu verhindern, ohne dass dazu ein hoher Spülgasverbrauch erforderlich ist. Außerdem soll der mit der Spülung verbundene konstruktive Aufwand möglichst gering sein.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Prozess-Schnittstelle der eingangs angegebenen Art das Ringteil eine konvexe Außenseite aufweist, deren Scheitellinie die Einmündung der Spülgaszuführung in einen zu dem Fenster hin geöffneten kleineren Bereich und in einen zu dem Inneren des Anlagenteils hin geöffneten größeren Bereich unterteilt. Das Fenster wird durch den kleineren Bereich mit einem kleineren Anteil der Spülgasmenge angeströmt, während gleichzeitig der größere Anteil der Spülgasmenge durch den größeren Bereich in das Spülrohr geleitet wird. Das Verhältnis der in Richtung zu dem Fenster und direkt in das Spülrohr eingeleiteten Anteile der Spülgasmenge kann einfach durch die Montageposition des Ringteils in dem Spülgasrohr festgelegt werden. Der zum Fenster geleitete Anteil der Spülgasmenge, beispielsweise 10%, ist gerade so groß, dass das Fenster, beispielsweise zur Vermeidung von Kondensation, ausreichend bespült wird, andererseits aber die durch die Umlenkung der Strömung an dem Fenster hervorgerufenen Turbulenzen durch den in Richtung zu dem Anlagenteil mit dem zu analysierenden Gas in das Spülgasrohr geleiteten größeren Anteil der Spülgasmenge, beispielsweise 90%, auf dem Weg zu dem Anlagenteil geglättet werden können.
Um das Ringteil im Inneren des Spülrohres zu halten, enthält das Ringteil vorzugsweise entlang der Scheitellinie eine Umlaufnut, in der ein Sprengring eingelegt ist. Zusätzlich kann auch das Spülrohr im Inneren eine durch die Einmündung der Spülgaszuführung laufende Nut zur Aufnahme des Sprengrings enthalten. Dadurch wird die Montage gegenüber bisherigen Lösungen, bei denen gasdicht geschweißt werden musste, sehr stark vereinfacht. Der Sprengring ist ein Normteil und somit einfach und günstig zu beschaffen. Da der Sprengring selbst zur Bildung der konvexen Außenseite des Ringteils beiträgt, wird er vorzugsweise so eingesetzt, dass seine Öffnung außerhalb der Einmündung der Spülgaszuführung liegt.
Neben den Mengenanteilen des entweder zum Fenster oder in Richtung zu dem Anlagenteil mit dem zu analysierenden Gas in das Spülgasrohr geleiteten Spülgases sind auch die jeweiligen Winkel, unter denen das Spülgas in das Spülrohr eingeleitet wird, für das Spülergebnis von Bedeutung. Diese Winkel werden maßgeblich durch die Krümmung der konvexen Außenseite des Ringteils beiderseits der Scheitellinie bestimmt. Vorzugsweise ist die Außenseite des Ringteils beiderseits der Scheitellinie als Kegelstumpfmantel ausgebildet, so dass das Spülgas in etwa unter dem jeweiligen Kegelwinkel in das Spülrohr strömt. Da die Einmündung der Spülgaszuführung in der Nähe zu dem Fenster liegt, wird für die Bespülung des Fensters ein steilerer Winkel gewählt als für den in Richtung zu dem zu analysierenden Gas in das Spülrohr geleiteten größeren Spülgasanteil. Dieser größere Spülgasanteil gelangt vorzugsweise unter einem flachen Winkel in das Spülrohr, um eine homogene, nahezu wirbelfreie Ein- und Weiterströmung zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann weiterhin vorgesehen werden, dass sich das Spülrohr innerhalb eines vorgegebenen Längenabschnitts von der Einmündung der Spülgaszuführung in Richtung zu dem Inneren des Anlagenteils hin auf eine dem Innendurchmesser des Ringteils zumindest annähernd entsprechende Weite verjüngt. Dadurch wird ein gleichbleibender Strömungsquerschnitt für den von dem Fenster kommenden Spülgasanteil erreicht, so dass auch keine neuen Turbulenzen entstehen können. Der Verjüngungswinkel entspricht vorzugsweise in etwa dem Kegelwinkel der gegenüberliegenden Außenkontur des Ringteils.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. Im Einzelnen zeigen:
1 ein Beispiel für einen in-situ Prozess-Gasanalysator mit zwei Prozess-Schnittstellen und
2 ein Ausführungsbeispiel einer der Prozess-Schnittstellen.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Anlagenteil 1, z. B. ein Abgaskanal, durch den ein zu analysierendes Gas 2 strömt. Das Anlagenteil 1 weist an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen Prozessflansche 3, 4 auf, an denen zwei im Wesentlichen baugleiche Messköpfe 5, 6 eines Prozess-Gasanalysators montiert sind. Beide Messköpfe 5, 6 enthalten jeweils ein optoelektronisches Element 7, 8, das in dem einen Fall eine Lichtquelle 7, z. B. eine Laserdiode, und in dem anderen Fall ein Detektor 8, z. B. ein Photodetektor, ist. Das von der Lichtquelle 7 erzeugte Licht 9 wird durch das Anlagenteil 1 mit dem darin geführten Gas 2 geleitet und trifft anschließend auf den Detektor 8. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, sind die optoelektronischen Elemente 7, 8 durch ein hier nicht gezeigtes Fenster von dem Inneren des Anlagenteils 1 und damit von dem Gas 2 getrennt, wobei zwischen den Fenstern und dem Inneren des Anlagenteils 1 zwei Spülrohre 10, 11 vorgesehen sind, die an einem Ende mit dem jeweiligen Fenster abgeschlossen sind und mit ihrem anderen offenen Ende in das Innere des Anlagenteils 1 münden. Die Spülrohre 10, 11, durch die das Licht 9 verläuft, werden von einem Spülgas 12 durchspült. Das Spülgas 12 wird in Fensternähe durch eine Spülgaszuführung 13, 14 in das jeweilige Spülrohr 10, 11 eingeleitet und verlässt dieses an seinem offenen Ende.
2 zeigt ein Beispiel für das an dem einen Ende mit dem Fenster 15 abgeschlossene Spülrohr 10. In einem Abstand zu dem Fenster 15 mündet die Spülgaszuführung 13 in das Spülrohr 10 ein. Im Inneren des Spülrohres 10 ist gegenüber der Einmündung 16 der Spülgaszuführung 13 ein zu dem Spülrohr 10 koaxiales Ringteil 17 angeordnet. Die Außenseite 18 des Ringteils 17 ist in Form einer konvexen Mantelfläche ausgebildet, deren Scheitellinie die Einmündung 16 der Spülgaszuführung 13 in einen zu dem Fenster 15 hin geöffneten kleineren Bereich (Öffnungsspalt) 19 oder und in einen zu dem Inneren des Anlagenteils 1 hin geöffneten größeren Bereich 20 unterteilt. Das Verhältnis der beiden Bereiche 19 und 20 beträgt z. B. 1:9. Bei dem hier gezeigten Beispiel ist das Profil des Ringteils 17 dreieck- bzw. trapezförmig, d. h. die Außenseite 18 des Ringteils 17 ist beiderseits der Scheitellinie jeweils als Kegelstumpfmantel mit unterschiedlichem Kegelwinkel ausgebildet. Das in das Spülrohr 10 eingeleitete Spülgas 12 wird durch das Ringteil 17 in einen kleineren Anteil 21 in Richtung zu dem Fenster 15 und einen größeren Anteil 22 in Richtung zu dem Inneren des Anlagenteils 1 hin aufgeteilt, wobei der kleinere Anteil 21 unter einem vergleichsweise steilen Winkel zu dem Fenster 15 strömt, während der größere Anteil 22 unter einem sehr flachen Winkel turbulenzfrei in das Spülrohr 10 gelangt und in Richtung zu dem Inneren des Anlagenteils 1 hin weiterströmt.
Das Ringteil 17 ist im Inneren des Spülrohres mittels eines Sprengrings 23 gehalten, der in einer entlang der Scheitellinie verlaufenden Umlaufnut 24 des Ringteils 17 und einer weiteren durch die Einmündung 16 der Spülgaszuführung 13 laufenden Nut 25 des Spülrohres 10 liegt. Der Sprengring 23 ist so orientiert, dass seine Öffnung in einem Bereich außerhalb der Einmündung 16 der Spülgaszuführung 13 liegt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel verjüngt sich das Spülrohr 10 innerhalb eines sich von der Einmündung 16 der Spülgaszuführung 13 in Richtung zu dem Inneren des Anlagenteils 1 hin erstreckenden Längenabschnitts 26 auf eine dem Innendurchmesser des Ringteils 17 entsprechende Weite. Der Verjüngungswinkel entspricht in etwa dem Kegelwinkel der gegenüberliegenden Außenkontur 18 des Ringteils 17. Ergänzend oder alternativ kann, wie strichpunktiert angedeutet ist, die Innenseite 27 des Ringteils 17 derart konvex gewölbt sein, dass der Querschnitt des Ringteils 17 ein Flügelprofil mit der Vorderkante zu dem Fenster 15 hin aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2428793 A1 [0002, 0005]
DE 1993225 U [0006]
DE 102004018534 B4 [0007]
EP 2169385 A1 [0008]

Claims

Prozess-Schnittstelle eines nach dem Durchlichtverfahren arbeitenden Prozess-Gasanalysators, mit einem Messkopf (5, 6), der ein Licht (9) emittierendes oder empfangendes optoelektronisches Element (7, 8) enthält und an einem Prozessflansch (3, 4) eines ein zu analysierendes Gas (2) enthaltenden oder führenden Anlagenteils (1) montierbar ist, mit einem Spülrohr (10, 11), das zwischen dem optoelektronischen Element (7, 8) und dem Inneren des Anlagenteils (1) durch den Prozessflansch (3, 4) verläuft, mit einem das Spülrohr (10, 11) an dem dem optoelektronischen Element (7, 8) gegenüberliegenden Ende abschließenden und das optoelektronische Element (7, 8) von dem Inneren des Anlagenteils (1) trennenden Fenster (15), mit einer in einem Bereich nahe zum Fenster (15) in das Spülrohr (10, 11) einmündenden Spülgaszuführung (13, 14) und mit einem im Inneren des Spülrohres (10, 11) gegenüber der Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13, 14) angeordneten und zu dem Spülrohr (10, 11) koaxialen Ringteil (17), dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (17) eine konvexe Außenseite (18) aufweist, deren Scheitellinie die Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13, 14) in einen zu dem Fenster (15) hin geöffneten kleineren Bereich (19) und in einen zu dem Inneren des Anlagenteils (1) hin geöffneten größeren Bereich (20) unterteilt.
Prozess-Schnittstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (17) entlang der Scheitellinie eine Umlaufnut (24) enthält, in der ein das Ringteil (17) im Inneren des Spülrohres (10, 11) haltender Sprengring (23) eingelegt ist.
Prozess-Schnittstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülrohr (10, 11) im Inneren eine durch die Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13, 14) laufende Nut (25) zur Aufnahme des Sprengrings (23) enthält.
Prozess-Schnittstelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Sprengrings (23) in einem Bereich außerhalb der Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13, 14) liegt.
Prozess-Schnittstelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (18) des Ringteils (17) beiderseits der Scheitellinie als Kegelstumpfmantel ausgebildet ist.
Prozess-Schnittstelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Spülrohr (10, 11) innerhalb eines vorgegebenen Längenabschnitts (26) von der Einmündung (16) der Spülgaszuführung (13, 14) in Richtung zu dem Inneren des Anlagenteils (1) hin auf eine dem Innendurchmesser des Ringteils (17) zumindest annähernd entsprechende Weite verjüngt.