DE102016218399A1

DE102016218399A1 - Gasentnahmesonde mit einem Sensor

Info

Publication number: DE102016218399A1
Application number: DE102016218399.0A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Berndzen; Ludwig Könning; Heinz Bredemeier; Michael Streffing; Alireza Tavakoli; Stephan Ziegler
Original assignee: ThyssenKrupp AG; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2018-03-29
Also published as: WO2018054931A1

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Gasentnahmesonde (10) zur Entnahme von Gasproben aus einem heißen Reaktionsraum (22) umfassend einen Gaseinlass (14) zum Einlassen von Gasproben an einem ersten Endbereich der Gasentnahmesonde (10) und einen Gasauslass (16) an einem zweiten Endbereich der Gasentnahmesonde (10) zum Auslassen von Gasproben aus der Gasentnahmesonde (10), einen den Gaseinlass (14) umfassenden Sondenkopf (18), einen den Gasauslass (16) umfassenden Sondenkörper (20) und ein Gasentnahmerohr (12), das sich von dem Gaseinlass (14) zu dem Gasauslass (16) erstreckt, wobei das Gasentnahmerohr (12) von einer Kühleinrichtung (26) zur Kühlung des Gasentnahmerohrs (12) umgeben ist, wobei die Gasentnahmesonde zumindest einen Sensor (70, 72) zum Ermitteln von Betriebsparametern und/ oder eines Verschleißzustandes aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentnahmesonde zur Entnahme von Gasproben aus einem heißen Reaktionsraum mit einem Sensor.
Gasentnahmesonden werden verwendet, um Gasproben aus einem heißen Reaktionsraum, wie beispielsweise einem Vorwärmer, Calcinator, Drehofen oder Kühler einer Zementanlage oder einem Wärmetauscher oder Ofensystem für die Behandlung von Erzen und Gesteinen zu entnehmen. Das mittels der Gasentnahmesonde entnommene Gas wird anschließend beispielsweise hinsichtlich des Schadstoffgehalts analysiert. Um eine für die Analyse angemessene Temperatur des Gases zu erhalten, wird die Gasprobe üblicherweise innerhalb der Gasentnahmesonde gekühlt.
Solche Gasentnahmesonden sind beispielsweise aus der DE 103 15 996 A1 oder der WO 2015/024625A1 bekannt. Die Gasentnahmesonde wird üblicherweise in der Wandung eines Reaktionsraums positioniert, wobei ein zu analysierendes Gas im Bereich eines vorderen Endes der Gasentnahmesonde aus dem Reaktionsraum entnommen und in einem Gasentnahmerohr bis zu einem hinteren Ende der Gasentnahmesonde geführt und dabei gekühlt wird. Das vordere Ende des Gasentnahmerohrs ist in dem Reaktionsraum positioniert, sodass der Gasstrom des Reaktionsraums an der Gasentnahmesonde vorbei strömt. In dem Gasstrom des Reaktionsraums befinden sich Partikel, wie beispielsweise Zementklinkerstäube, oder Zementklinkerkörner, die einen Verschleiß des vorderen Endes der Gasentnahmesonde bewirken. Auch die Bestandteile des Gases, wie beispielsweise Alkalien, Chloride oder Sulfide sorgen für eine chemische Korrosion des vorderen Endes der Gasentnahmesonde.
Der voranschreitende Verschleiß mindert die Funktionsfähigkeit der Gasentnahmesonde, sodass eine zuverlässige Aussage über die Eigenschaften des Gases innerhalb des Reaktionsraums nicht mehr getroffen werden kann. Korrosion der Gasentnahmesonde sorgt beispielsweise auch für ein Austreten des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf, was zu einer geringeren Kühlleistung des Kühlkreislaufes führt.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasentnahmesonde bereitzustellen, bei der Fehlfunktionen, die insbesondere verschleißbedingt sind, zuverlässig vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gasentnahmesonde mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Gasentnahmesonde zur Entnahme von Gasproben aus einem heißen Reaktionsraum umfasst nach einem ersten Aspekt einen Gaseinlass zum Einlassen von Gasproben an einem ersten Endbereich der Gasentnahmesonde und einen Gasauslass an einem zweiten Endbereich der Gasentnahmesonde zum Auslassen von Gasproben aus der Gasentnahmesonde, einen den Gaseinlass umfassenden Sondenkopf, einen den Gasauslass umfassenden Sondenkörper und ein Gasentnahmerohr, das sich von dem Gaseinlass zu dem Gasauslass erstreckt, wobei das Gasentnahmerohr von einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Gasentnahmerohrs umgeben ist. Die Gasentnahmesonde umfasst des Weiteren zumindest einen Sensor zum Ermitteln von Betriebsparametern und/ oder eines Verschleißzustandes.
Die Gasentnahmesonde ist vorzugsweise im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet, wobei der Sondenkörper und der Sondenkopf im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen. Der Gaseinlass der Gasentnahmesonde ist vorzugsweise innerhalb des Reaktionsraums angeordnet, wobei der Gasauslass der Gasentnahmesode außerhalb des Reaktionsraums angeordnet ist. Die Kühleinrichtung ist vorzugsweise in dem Sondenkörper und dem sich daran anschließenden Sondenkopf angeordnet. Der Sondenkopf ist insbesondere innerhalb des Reaktionsraums angeordnet und mit dem Sondenkörper fest verbunden. Der Sondenkörper und oder der Sondenkopf sind vorzugsweise zumindest teilweise innerhalb einer Wandung des Reaktionsraums angeordnet. Bei den Betriebsparametern handelt es sich beispielsweise um die Temperatur, den Druck und/ oder die Dehnung an der Position des Sensors. Der Sensor ist beispielsweise derart ausgebildet, dass er ein Signal, beispielsweise die ermittelten Betriebsparameter, an eine Auswerteeinrichtung sendet. Der Sensor wird beispielswiese verschleißbedingt zerstört, wenn die Gasentnahmesonde einen bestimmten Verschleißzustand erreicht hat.
Ein Sensor zum Ermitteln von Betriebsparametern und/ oder eines Verschleißzustandes bietet des Vorteil, eine ständigen Überwachung der Betriebsparameter innerhalb der Gasentnahmesonde. Bei dem Überschreiten einer bestimmten Temperatur, eines Drucks oder eines Dehnungszustandes wird die Gasentnahmesonde beispielsweise aus dem Reaktionsraum entfernt, um einer Beschädigung zu vermeiden. Auch bei einem bestimmten Verschleißzustand wird beispielsweise der Sondenkopf ausgetauscht, sodass eine weitere Beschädigung der Gasentnahmesonde durch fortschreitenden Verschleiß verhindert wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der zumindest eine Sensor innerhalb des Sondenkopfes angebracht. Der Sensor ist dadurch den Umgebungsbedingungen des Reaktionsraums lediglich indirekt ausgesetzt und daher kostengünstiger. Eine Beschädigung des Sensors im Betrieb der Gasentnahmesonde wird somit vermieden und tritt erst bei fortschreitendem Verschleiß ein.
Der Sensor ist gemäß einer weiteren Ausführungsform in einem Hohlraum innerhalb des Sondenkopfes angeordnet. Der Hohlraum ist gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Kanal zum Führen von elektrischen Leitungen innerhalb des Sondenkopfes verbunden. Insbesondere ist der Hohlraum nicht direkt mit dem Inneren des Reaktionsraums verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Hohlraum vollständig von dem Material des Sondenkopfes umgeben und bildet einen geschlossenen Hohlraum innerhalb des Sondenkopfes aus. Dies bietet beispielsweise den Vorteil, dass eine Verschmutzung des Sensors verhindert oder minimiert wird.
Der Sondenkopf ist gemäß einer weiteren Ausführungsform mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt. Dies ermöglicht die Herstellung des Sondenkopfes in einer vergleichsweise freien Geometrie, die nicht durch die üblichen Herstellungsverfahren, wie Gießen oder spanendes Bearbeiten begrenzt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Sensoren innerhalb des Sondenkopfes angeordnet. Beispielsweise ermittelt jeder der Sensoren zumindest einen Betriebsparameter, insbesondere unterschiedliche Betriebsparameter. Die Sensoren sind beispielsweise an Positionen an dem Sondenkopf angebracht, an denen beispielsweise ein hoher Verschleiß, eine hohe Temperatur, Dehnung oder ein hoher Druck zu erwarten ist. Insbesondere sind die Sensoren an unterschiedlichen Positionen in dem Sondenkopf angebracht.
Jeder Sensor ist gemäß einer weiteren Ausführungsform in einem separaten Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum ist gemäß einer weiteren Ausführungsform derart ausgebildet, dass der Sensor spielfrei innerhalb des Hohlraums aufgenommen ist. Dadurch wird eine Beschädigung bei der Montage der Gasentnahmesonde in der Wandung des Reaktionsraums minimiert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Hohlraum im Wesentlichen die Geometrie des Sensors auf.
Die Mehrzahl von Sensoren ist gemäß einer weiteren Ausführungsform gleichmäßig zueinander beabstandet innerhalb des Sondenkopfes angeordnet. Insbesondere bei der Ermittlung des Verschleißzustandes ist eine gleichmäßig beabstandete Anordnung der Sensoren vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Sensor im Bereich der Oberfläche des Sondenkopfes angeordnet. Beispielsweise weist der Abstand zwischen dem Sensor und der in den Reaktionsraum weisenden Oberfläche des Sensors etwa 2–7mm, insbesondere 5mm auf. Vorzugsweise ist der Sensor direkt an der Oberfläche des Sondenkopfes angebracht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gasentnahmesonde eine Auswerteeinrichtung, die mit dem zumindest einen Sensor in Verbindung steht. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise außerhalb des Reaktionsraums angeordnet. Die Verbindung zwischen dem Sensor und der Auswerteeinrichtung umfasst vorzugsweise eine Verbindung zum Übertragen von Daten, wie beispielsweise eine Kabel- oder Funkverbindung. Der Sensor ist gemäß einer weiteren Ausführungsform derart ausgebildet, dass er Messdaten an die Auswerteeinrichtung übermittelt. Der Sensor übermittelt die Messdaten beispielsweise mittels Telemetrie oder über eine Kabelverbindung an die Auswerteeinrichtung.
Die Auswerteeinrichtung ist gemäß einer weiteren Ausführungsform derart ausgebildet, dass sie aus den mittels des Sensors ermittelten Daten einen Zustand der Gasentnahmesonde ermittelt. Bei dem Zustand handelt es sich insbesondere um einen Betriebszustand oder einen Verschleißzustand der Gasentnahmesonde. Die Auswerteeinrichtung ermittelt einen Verschleiß des Sondenkopfes, wenn die Verbindung zwischen dem Sensor und der Auswerteeinrichtung unterbrochen ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Sensor verschleißbedingt zerstört ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sondenkopf auf seiner Oberfläche eine Verschleißschutzeinrichtung, insbesondere aus einem Hartmetall, auf. Die Verschleißschutzeinrichtung umfasst beispielsweise ein Hartmetall wie Wolframcarbide oder hoch chromhaltige Legierungen und wird mit dem Sondenkopf und vorzugsweise dem Endbereich des Sondenkörpers stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen, Löten oder Kleben verbunden. Beispielsweise wird die Verschleißschutzeinrichtung auf den Sondenkopf gepresst. Beispielsweise umfasst die Verschleißschutzanordnung eine Auftragsschweißung aus einem der genannten Materialien.
Der Sondenkopf ist gemäß einer weiteren Ausführungsform mit dem Sondenkörper stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt. Die Schweißverbindung ist insbesondere außerhalb des Reaktionsraums angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Schweißverbindung eine Mikroschweißverbindung. Bei den Mikroverschweißungen handelt es sich um Schweißverbindungen zwischen dem Sondenkörper und dem Sondenkopf, die durch die Herstellung des Sondenkopfes mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, entstehen. Dabei wird der Sondenkopf auf dem den Verbindungsbereich aufweisenden Endbereich des Sondenkörpers mittels des generativen Fertigungsverfahrens aufgebaut. Der zu verarbeitende Werkstoff, insbesondere Metall, wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf den Endbereich des Sondenkörpers aufgebracht und mittels Laserstrahlung vollständig geschmolzen. Nach der Erstarrung bildet der Werkstoff mit dem Endbereich des Sondenkörpers eine Mikroverschweißung. Die durch die generative Fertigung des Sondenkopfes entstehenden Mikroverschweißungen des Sondenkopfes mit dem Sondenkörper weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit von etwa 1300°C auf, sodass beispielsweise eine Anordnung der Mikroschweißverbindung innerhalb des Reaktionsraums möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Gasentnahmesonde eine Kühleinrichtung mit einer Mehrzahl von Kühlkanälen auf, die um das Gasentnahmerohr herum angeordnet sind und über einen Überströmbereich in dem Sondenkopf miteinander in Fluidverbindung stehen. Die Kühleinrichtung umfasst beispielsweise einen ersten Kühlkanal und einen mit dem ersten Kühlkanal verbundenen zweiten Kühlkanal, in denen ein Kühlmittel, wie beispielsweise Luft oder Wasser strömt. Der erste Kühlkanal ist vorzugsweise ein Zulauf und der zweite Kühlkanal ein Rücklauf des Kühlmittels. Die Kühleinrichtung weist insbesondere einen Kühlmittelkreis auf, wobei das Kühlmittel über einen Kühlmitteleinlass in den ersten Kühlkanal strömt und den zweiten Kühlkanal über einen Kühlmittelauslass verlässt.
Die Kühlkanäle sind insbesondere in dem Sondenkörper durch eine Trennwand voneinander getrennt. In einem Überströmbereich innerhalb des Sondenkopfes ist der erste Kühlkanal mit dem zweiten Kühlkanal verbunden, sodass Kühlmittel von dem ersten Kühlkanal in den zweiten Kühlkanal strömt. Der erste und der zweite Kühlkanal sind insbesondere halbringförmig ausgebildet, sodass sie zusammen einen geschlossenen Ring ausbilden, der konzentrisch um das Gasentnahmerohr angeordnet ist.
Der Überströmbereich weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Überströmkanälen auf. Die Überströmkanäle erstrecken sich insbesondere innerhalb des Sondenkopfes in einem Bereich nahe der Oberfläche, sodass eine effektive Kühlung der Oberfläche erreicht wird.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentnahmesonde wie voran beschrieben, wobei der Sensor Betriebsparameter und/ oder einen Verschleißzustand ermittelt.
Die mit Bezug auf die Gasentnahmesonde beschriebenen Vorteile und Ausführungen treffen in verfahrensmäßiger Entsprechung auf das Verfahren zum Herstellen oder Betreiben einer solchen Gasentnahmesonde zu.
Der Sondenkopf wird vorzugsweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt und der zumindest eine Sensor wird während der Herstellung des Sondenkopfes in dem Sondenkopf positioniert. Insbesondere werden die Sensoren während des schichtweisen Aufbaus des Sondenkopfes platziert und der Sondenkopf wird um die Sensoren herum aufgebaut. Auch die elektrischen Leitungen werden auf die gleiche Weise in dem Sondenkopf platziert.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasentnahmesonde in einer Wandung eines Reaktionsraums in einer Schnittdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Gasentnahmesonde in einer Schnittdarstellung mit einer Mehrzahl von Sensoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Gasentnahmesonde in einer Schnittdarstellung mit einer Mehrzahl von Sensoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Gasentnahmesonde nach 3 in zwei unterschiedlichen verschleißzuständen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Gasentnahmesonde mit Kühlkanälen in einer Wandung eines Reaktionsraums in einer Schnittdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In 1 ist eine Gasentnahmesonde 10 schematisch dargestellt. Die Gasentnahmesonde 10 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und in einer Wandung 36 eines Reaktionsraums 22 angeordnet. Bei dem Reaktionsraum 22 handelt es sich beispielsweise um einen Calcinator einer Zementanlage, in dem eine Entsäuerung des Rohmehls erfolgt. Beispielhaft ist innerhalb des Reaktionsraums 22 ein Gasstrom 24 dargestellt, der in Pfeilrichtung strömt. Die Gasentnahmesonde 10 erstreckt sich durch die Wandung hindurch und ist mit einem ersten Endbereich innerhalb des Reaktionsraums 22 und mit einem zweiten Endbereich außerhalb des Reaktionsraums 22 angeordnet. Die Gasentnahmesonde 10 umfasst einen Sondenkopf 18, der den ersten Endbereich der Gasentnahmesonde 10 umfasst und zumindest teilweise innerhalb des Reaktionsraums 22 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel der 1 erstreckt sich der Sondenkopf 18 mit etwa drei Viertel seiner Länge in den Prozessraum 22 hinein, wobei etwa ein Viertel der Länge des Sondenkopfes 18 innerhalb der Wandung 36 des Reaktionsraums 22 angeordnet ist. Die Gasentnahmesonde 10 umfasst des Weiteren einen Sondenkörper 20, der sich in Längsrichtung der Gasentnahmesonde 10 an den Sondenkopf 18 anschließt und durch die Wandung 36 verläuft, sodass dieser an dem dem Reaktionsraum 22 abgewandten Ende aus der Wandung 36 hervorsteht. Der Sondenkopf 18 und der Sondenkörper 20 sind miteinander über einen Verbindungsbereich 40 verbunden, wobei der Verbindungsbereich 40 beispielsweise eine Schweißnaht oder Mikroverschweißungen umfasst. Der Verbindungsbereich 40 ist vorzugsweise in einem Bereich der Gasentnahmesonde 10 angeordnet, der sich innerhalb der Wandung 36 des Reaktionsraums 22 befindet.
Die Gasentnahmesonde 10 umfasst einen Gaseinlass 14 zum Einlassen von Gas aus dem Reaktionsraum 22 in die Gasentnahmesonde 20 und einen Gasauslass 16 zum Auslassen des Gases aus der Gasentnahmesonde 10. Der Gaseinlass 14 ist an dem ersten Endbereich innerhalb des Reaktionsraums 22 angeordnet, wobei der Gasauslass 16 an dem zweiten Endbereich außerhalb des Reaktionsraums 22 angeordnet ist. Ein Gasentnahmerohr 12 erstreckt sich von dem Gaseinlass 14 zu dem Gasauslass 16 und in axialer Richtung mittig durch die Gasentnahmesonde 10. Das Gasentnahmerohr 12 erstreckt sich in axialer Richtung durch den Sondenkörper 20 und den Sondenkopf 18. An dem Gasauslass 16 ist beispielsweise eine nicht dargestellte Analyseeinrichtung zur Analyse des mittels der Gasentnahmesonde 10 entnommenen Gases 24 angeordnet.
Um das Gasentnahmerohr 12 herum ist eine Kühleinrichtung 26 angeordnet. Die Kühleinrichtung 26 dient der Kühlung des Gasentnahmerohrs 12 und des darin strömenden Gases, sodass eine anschließende Analyse der Gaszusammensetzung erleichtert wird. Die Kühleinrichtung 26 umfasst einen ersten Kühlkanal 28 und einen mit dem ersten Kühlkanal 28 verbundenen zweiten Kühlkanal 30, in denen ein Kühlmittel, wie beispielsweise Luft oder Wasser strömt. Die Kühlkanäle 28, 30 sind insbesondere konzentrisch um das Gasentnahmerohr 12 angeordnet, wobei der erste Kühlkanal 28 einen Zulauf und der zweite Kühlkanal 30 einen Rücklauf des Kühlmittels bildet. Die Kühleinrichtung 26 weist einen Kühlmittelkreis 38 auf, wobei das Kühlmittel über einen Kühlmitteleinlass 32 in den ersten Kühlkanal 28 strömt und den zweiten Kühlkanal 30 über einen Kühlmittelauslass 34 verlässt. In Strömungsrichtung von dem Kühlmittelauslass 34 zu dem Kühlmitteleinlass 32 sind beispielsweise in 1 nicht dargestellte Elemente, wie Kühl- oder Erwärmungseinrichtung oder beispielsweise ein Ventilator oder eine Pumpe angeordnet. Die Kühlkanäle 28, 30 sind insbesondere in dem Sondenkörper 20 durch eine nicht dargestellte Trennwand voneinander getrennt. In einem Bereich innerhalb des Sondenkopfes 18 ist der erste Kühlkanal 28 mit dem zweiten Kühlkanal 30 verbunden, sodass Kühlmittel von dem ersten Kühlkanal 28 in den zweiten Kühlkanal 30 strömt. Der erste und der zweite Kühlkanal 28, 30 sind insbesondere halbringförmig ausgebildet, sodass sie einen geschlossenen Ring ausbilden, der konzentrisch um das Gasentnahmerohr 12 angeordnet ist. In dem Sondenkopf 18 ist ein Überströmbereich ausgebildet, in den Kühlmittel von dem ersten Kühlkanal 28 in den zweiten Kühlkanal strömt.
Die Gasentnahmesonde 10 weist außerdem eine Leitung 44 zum Leiten eines Reinigungsmittels auf, die sich in axialer Richtung durch den Sondenkörper 20 und den Sondenkopf 18 erstreckt. Bei dem Reinigungsmittel handelt es sich beispielsweise um Luft, Stickstoff oder andere Inertgase, das unter einem Druck von etwa 5–20 bar, insbesondere 6–10 bar in der Leitung 44 geführt wird. Die Leitung 44 ist beispielhaft radial außerhalb der Kühlkanäle 28, 30 angeordnet und weist einen Einlass in dem Sondenkörper 20 auf zum Einlassen des Reinigungsmittels. An die Leitung 44 schließt sich in dem Sondenkopf ein Auslasskanal an, durch welchen das Reinigungsmittel aus dem Sondenkopf 18 ausgelassen wird. Die Gasentnahmesonde weist beispielsweise zwei oder mehr nicht dargestellte Leitungen 44 auf die um das Gasentnahmerohr 12 herum angeordnet sind. Insbesondere sind die Leitungen 44 räumlich voneinander getrennt in der Gasentnahmesonde 10 angeordnet. Es ist auch denkbar, dass die Gasentnahmesonde 10 leidglich eine Leitung 44 aufweist, die beispielsweise als ein Ringraum konzentrisch um das Gasentnahmerohr 12 ausgebildet ist. Die Leitungen 44 erstrecken sich im Wesentlichen in axialer Richtung entlang des Gasentnahmerohrs 12 durch den Sondenkörper 20 und in den Sondenkopf 18. In dem Sondenkopf 18 schließt sich an die Leitung 44 jeweils zumindest ein Auslasskanal an. Beispielsweise sind eine Mehrzahl von Auslasskanälen konzentrisch um das Gasentnahmerohr 12 angeordnet. Es ist auch denkbar, dass jeder Leitung 44 lediglich ein Auslasskanal zugeordnet ist. Die Auslasskanäle erstrecken sich von der jeweiligen Leitung 44, hin zu einem Auslass in dem Sondenkopf 18. Durch die Auslässe wird Reinigungsmittel aus den Auslasskanälen in den Reaktionsraum 22 ausgelassen. Beispielsweise sind an dem Sondenkopf 18 vier bis zehn, insbesondere sechs Auslässe vorzugsweise konzentrisch um den Gaseinlass 14 herum angeordnet. Die Leitungen 44 werden beispielsweise mit Druckstößen beaufschlagt. Vorzugsweise werden die Leitungen 44 synchron oder asynchron mit Druckstößen beaufschlagt.
Der Sondenkopf 18 ist insbesondere mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt und umfasst ein Metall. Vorzugsweise ist der Sondenkopf 18 ein monolithisches im Wesentlichen einstückiges Bauteil.
Im Betrieb der Gasentnahmesonde 10 wird diese in der in 1 dargestellten Weise in der Wandung 36 des Reaktionsraums 22 positioniert, sodass der Sondenkopf 18 in den Reaktionsraum 22 hinein ragt. Das Gas 24 strömt in Pfeilrichtung durch den Reaktionsraum 22 an dem Sondenkopf 18 entlang, wobei sich Ablagerungen 42, wie in dem Gasstrom mitgeführte Partikel an dem Sondenkopf 18 absetzen und einen Verschleiß der Gasentnahmesonde 10, insbesondere des Sondenkopfes 18 bewirken. Auch die chemischen Bestandteile des Gases, wie Alkalien, Chloride oder Sulfide sorgen für eine chemische Korrosion des Sondenkopfes 18. Zum Entfernen der Ablagerungen 42 an dem Sondenkopf 18 wird das Reinigungsmittels, beispielsweise Druckluft unter einem Druck von etwa 6–10 bar, insbesondere 5–20 bar durch die Leitung 44 in den Auslasskanal in dem Sondenkopf 18 geführt. Die Druckluft tritt an dem Sondenkopf 18 aus der Gasentnahmesonde 10 aus und beaufschlagt die Ablagerung 18 mit einem Druckluftstoß, sodass diese von dem Sondenkopf 18 entfernt wird.
1 zeigt auch eine Verschleißschutzeinrichtung 62, die an dem Sondenkopf 18 und dem Sondenkörper 20 angebracht ist. Die Verschleißschutzeinrichtung 62 umschließt den in den Reaktionsraum 22 hinein ragenden Bereich der Gasentnahmesonde 10 vollständig, mit Ausnahme einer mit dem Gaseinlass 14 fluchtenden Öffnung in der Verschleißschutzeinrichtung 62. Die Verschleißschutzeinrichtung 62 erstreckt sich über die gesamte Länge des Sondenkopfes 18 sowie entlang der in Richtung des Reaktionsraums 22 weisenden Stirnfläche des Sondenkopfes 18. Die Verschleißschutzeinrichtung 62 weist die Form einer Zylinderkappe auf mit einem hohlzylindrischen Bereich und einem sich daran anschließenden kreisscheibenförmigen Bereich, wobei der hohlzylindrische Bereich um den äußeren Umfang des Sondenkopfes 18 und zumindest teilweise um den äußeren Umfang des Sondenkörpers 20 angebracht ist. Der Sondenkopf 18 weist einen geringeren Durchmesser als der Sondenkörper 20 auf, der vorzugweise um die Dicke des hohlzylindrischen Bereichs geringer ist als der Durchmesser des Sondenkörpers 20. Der Sondenkörper weist an seinem dem Sondenkopf 18 zugewandten Ende eine Aussparung auf, in der der hohlzylindrische Bereich 68 der Verschleißschutzeinrichtung angeordnet ist. Die Aussparung weist insbesondere eine Tiefe auf, die der Dicke des hohlzylindrischen Bereichs entspricht, sodass die Verschleißschutzeinrichtung 62 fluchtend mit der Oberfläche des Sondenkörpers 20 angeordnet ist. An der Stirnseite des Sondenkopfes 18 ist der kreisscheibenförmige Bereich angebracht, der eine Öffnung aufweist, die mit dem Gaseinlass 14 fluchtet und in etwa einen dem Gaseinlass entsprechenden Durchmesser aufweist.
In dem Sondenkopf 18 ist ein Sensor 70 angeordnet, der zur Ermittlung von Betriebsparametern und/ oder eines Verschleißzustandes ausgebildet ist. Bei den Betriebsparametern handelt es sich beispielsweise um die Temperatur, den Druck oder die Dehnung des Materials an der Position des Sensors. Der Sensor umfasst beispielsweise auch ein elektrisches Leitelement zum Ermitteln eines Verschleißzustandes. Der Sensor 70 ist innerhalb des Sondenkopfes 18 angeordnet und mit Bezug auf die 2 und 3 detailliert beschrieben.
2 zeigt einen Ausschnitt einer Gasentnahmesonde 10, die im Wesentlichen der Gasentnahmesonde 10 der 1 entspricht, wobei die Kühleinrichtung 26 der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. In 2 sind zwei Sensoren 70, 72 dargestellt, die in dem Sondenkopf 18 angeordnet sind. Die Sensoren 70, 72 sind umfangsmäßig zueinander beabstandet in einem stirnseitigen Endbereich des Sondenkopfes 18 angeordnet. Zwischen der in den Reaktionsraum 22 hinein ragenden Stirnseite des Sondenkopfes 18 und den Sensoren 70, 72 ist beispielsweise ein Abstand von weniger als 1 cm ausgebildet. Die Sensoren 70, 72 sind außerdem in einem Bereich nahe der umfangsmäßigen Oberfläche des Sondenkopfes 18 angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Sensoren 70, 72 und dem äußeren Umfang beispielsweise weniger als 1 cm beträgt. Die Sensoren 70, 72 sind beispielsweise derart ausgebildet, dass sie die Temperatur, den Druck und / oder eine Dehnung in einem Bereich nahe der Oberfläche des Sensorkopfes 18 ermitteln.
Die in 2 dargestellten Sensoren 70, 72 sind jeweils mit elektrischen Leitungen 80 verbunden, die beispielsweise der Stromversorgung der Sensoren 70, 72 und/ oder der Übermittlung der mittels der Sensoren 70, 72 ermittelten Daten dienen. Die elektrischen Leitungen 80 sind innerhalb des Sondenkopfes 18 in einem Kanal 78 geführt. Der Kanal 78 weist beispielsweise einen Durchmesser auf, der in etwa dem Durchmesser der elektrischen Leitung 80 entspricht. In dem Ausführungsbeispiel der 2 verläuft der Kanal 78 von dem im Sondenkopf 18 angeordneten Sensor 70, 72 in den Sondenkörper 20 in Richtung des zweiten Endbereichs der Gasentnahmesonde 10. Es ist ebenfalls denkbar, lediglich einen Sensor in dem Sondenkopf 18 anzuordnen, oder eine Mehrzahl von beispielsweise 3–10 Sensoren innerhalb des Sondenkopfes zueinander beabstandet anzuordnen.
Jeder Sensor 70, 72 ist in einem jeweiligen Hohlraum 74, 76 innerhalb des Sondenkopfes 18 angeordnet. Beispielhaft ist in 2 ein Hohlraum 74 rechteckig und ein Hohlraum 76 mit einem elliptischen Querschnitt dargestellt. Der Hohlraum 74, 76 weist insbesondere eine Geometrie auf die der Geometrie des Sensors entspricht, sodass der Sensor 70, 72 im Wesentlichen von dem Material des Sondenkopfes 18 vollständig umschlossen ist. Der Sensor 70, 72 ist insbesondere spielfrei in der dem Hohlraum aufgenommen, sodass dieser im Betrieb der Gasentnahmesonde 10 die Position innerhalb des Hohlraums 74, 76 nicht ändert. Der Hohlraum 74, 76 ist im Wesentlichen vollständig von dem Material des Sondenkopfes 18 umgeben, wobei jeder Hohlraum 74, 76 der 2 mit einem Kanal 78 zur Führung der elektrischen Leitungen 80 verbunden ist.
Bei der Herstellung des Sondenkopfes 18 mittels eines generativen Fertigungsverfahrens werden die Sensoren 70, 72 während des Fertigungsverfahrens in dem Sondenkopf 18 platziert. Bei generativen Fertigungsverfahren, wie selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht und mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen. Nach der Erstarrung bildet der Werkstoff eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen, wobei dieser Zyklus wiederholt wird, bis alle Schichten umgeschmolzen sind und das Bauteil hergestellt ist. Typische Schichtstärken für beispielsweise metallische Materialien sind 15–150 µm, vorzugsweise 30–70 µm. Während des schichtweisen Aufbaus des Sondenkopfes 18 werden die Sensoren 70, 72 platziert und der Sondenkopf 18 wird um die Sensoren 70, 72 herum aufgebaut. Auch die elektrischen Leitungen werden auf die gleiche Weise in dem Sondenkopf 18 platziert.
Die Gasentnahmesonde 10 weist des Weiteren eine Auswerteeinrichtung 82 auf, die mit den Sensoren 70, 72 in Verbindung steht. Die Sensoren 70, 72 sind über die elektrischen Leitungen 80 mit der Auswerteeinrichtung verbunden, wobei die mittels der Sensoren 70, 72 ermittelten Daten an die Auswerteeinrichtung 82 übermittelt werden. Die Auswerteeinrichtung 82 ermittelt aus den mittels der Sensoren 70, 72 ermittelten Daten beispielsweise einen Verschleißzustand oder einen Betriebszustand der Gasentnahmesonde 10, insbesondere des Sondenkopfes 18. Ein Verschleiß des Sensorkopfes wird beispielsweise mittels der Auswerteeinrichtung 82 ermitteln, wenn die Verbindung zwischen dem Sensor 70, 72 und der Auswerteeinrichtung 82 unterbrochen ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Sensor 70, 72 oder die Leitung 80 verschleißbedingt zerstört sind. In Abhängigkeit der mittels der Sensoren 70, 72 ermittelten Daten ermittelt die Auswerteeinrichtung 82 beispielsweise auch die Temperatur des Kühlmittels oder die Temperatur des in dem Reaktionsraum 22 strömenden Gases.
3 zeigt einen Ausschnitt einer Gasentnahmesonde 10, die im Wesentlichen der Gasentnahmesonde 10 der 1 und 2 entspricht. Im Unterschied zu der 1 und 2 sind in dem Ausführungsbeispiel der 3 beispielhaft drei Sensoren 70a–c dargestellt die in axialer Richtung der Gasentnahmesonde 10 gleichmäßig zueinander beabstandet in dem Sondenkopf 18 angeordnet sind. Die Sensoren 70a–c sind in radialer Richtung einwärts zueinander versetzt angeordnet, sodass der in axialer Richtung äußere, stirnseitig angeordnete Sensor 70a in radialer Richtung außen nahe der umfangsmäßigen Oberfläche des Sensorkopfes 18 angeordnet ist. Die weiteren Sensoren 70b, c sind in axialer und radialer Richtung einwärts relativ zu dem äußeren Sensor 70a angeordnet.
3 zeigt ebenfalls eine Auswerteeinrichtung 82, die beispielhaft an der Wandung 36 des Reaktionsraums 22 angebracht ist. Die Auswerteeinrichtung 82 ist mit den Sensoren 70a–c mittels Telemetrie verbunden, sodass in der Gasentnahmesonde 10 keine elektrischen Leitungen zur Übertragung der mittels der Sensoren 70a–c ermittelten Daten an die Auswerteeinrichtung 82 angeordnet sind. Die Sensoren 70a–c sind vollständig von dem Material des Sondenkopfes 18 umschlossen und jeweils in einem geschlossenen Hohlraum 74 innerhalb des Sondenkopfes 18 angeordnet. Ein Verschleißzustand des Sondenkopfes 18 wird von der Auswerteeinrichtung 82 detektiert, wenn die Verbindung zu einem oder mehrerer Sensoren 70a–c unterbrochen ist. Ist die Verbindung zwischen der Auswerteeinrichtung 82 und dem äußeren Sensor 70a unterbrochen, detektiert die Auswerteeinrichtung einen Verschleiß des Sensorkopfes bis zu der Position des äußeren Sensors 70a. Bei einer Unterbrechung der Verbindung zwischen dem inneren Sensor 70c und der Auswerteeinrichtung 82 ist beispielsweise ein Austausch des Sondenkopfes 18 notwendig.
4 zeigt zwei Darstellungen der Gasentnahmesonde 10 der 3, wobei diese in zwei Verschleißzuständen gezeigt ist. Die obere Darstellung der Gasentnahmesonde 10 zeigt einen ersten Verschleißzustand, wobei die Oberfläche des Sondenkopfes derart verschlissen ist, dass der äußere Sensor 70a durch Verschleiß von dem Sondenkopf 18 entfernt wurde. Die Sensoren 70b und 70c sind in dem Sondenkopf 18 verblieben. Die untere Darstellung der Gasentnahmesonde 10 zeigt einen zweiten Verschleißzustand, wobei lediglich der Sensor 70c in dem Sondenkopf 18 verblieben ist. Die durch Verschleiß von dem Sondenkopf entfernten Sensoren 70a und 70b übermitteln keine Messdaten an die Auswerteeinrichtung 82. Die Auswerteeinrichtung 82 ist derart ausgebildet, dass sie beispielsweise anhand der ausschließlich von dem Sensor 70c übermittelten Daten und dem Fehlen der Messdaten der Sensoren 70b und 70a einen Verschleißzustand des Sondenkopfes 18 ermittelt.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gasentnahmesonde 10. Die in 5 dargestellte Gasentnahmesonde 10 entspricht im Wesentlichen der Gasentnahmesonde 10 der 1 bis 3. Das Ausführungsbeispiel der 5 unterscheidet von den 1 bis 3 durch die Ausbildung der Kühleinrichtung 26. Die Kühleinrichtung 26 des Ausführungsbeispiels der 5 umfasst jeweils zwei im Wesentlichen kreisringförmige und konzentrisch um das Gasentnahmerohr 12 angeordnete Kühlkanäle 56, 58. Die Kühlkanäle 56, 58 sind über einen Überströmbereich 60 in dem Sondenkopf 18 miteinander verbunden, sodass Kühlmittel von dem äußeren Kühlkanal 58 in den radial inneren Kühlkanal 56 strömt. Der Überströmbereich 60 umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Überströmkanälen, die jeweils von dem radial äußeren Kühlkanal 58 zu dem radial inneren Kühlkanal 56 verlaufen. Die Überströmkanäle sind beispielsweise bogenförmig ausgebildet oder erstrecken sich entlang der äußeren Kontur des Sondenkopfes 18. Die Kühlkanäle 56, 58 sind als Ringräume ausgebildet, wobei der Überströmbereich beispielsweise ebenfalls als Ringraum oder eine Mehrzahl von Überströmkanälen mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Insbesondere weist jeder Überströmbereich 60 fünf bis zwanzig, insbesondere zehn, Überströmkanäle auf, die innerhalb des Sondenkopfes 18 um das Gasentnahmerohr 12 angeordnet sind. Eine solche konturnahe Ausbildung der Überströmkanäle der Kühlkanäle 56, 58 bietet den Vorteil eine gleichmäßigen Kühlung der Oberfläche der Gasentnahmesonde 10, insbesondere des Sondenkopfes 18.
Die Gasentnahmesonde 10 der 5 zeigt ebenfalls einen Sensor 70, der beispielsweise zwischen zwei Überströmkanälen angeordnet ist und daher mit unterbrochenen Linien dargestellt ist. Mittels des Sensors 70 lässt sich beispielsweise auf die Temperatur des Kühlmittels in dem Überströmbereich der Kühleinrichtung 26 schließen und somit die Kühlung der Gasentnahmesonde 10 überwachen.
Bezugszeichenliste

10: Gasentnahmesonde
12: Gasentnahmerohr
14: Gaseinlass
16: Gasauslass
18: Sondenkopf
20: Sondenkörper
22: Reaktionsraum
24: Gasstrom
26: Kühleinrichtung
28: Kühlkanal Zulauf
30: Kühlkanal Rücklauf
32: Kühlmitteleinlass
34: Kühlmittelauslass
36: Wandung des Reaktionsraums
38: Kühlmittelkreis
40: Verbindungsbereich
42: Ansatzbildung
44: Leitung zum Leiten eines Reinigungsmittels
56: Kühlkanal
58: Kühlkanal
60: Überströmkanal
62: Verschleißschutzeinrichtung
70: Sensor
72: Sensor
74: Hohlraum
76: Hohlraum
78: Kanal
80: elektrische Leitung
82: Auswerteeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10315996 A1 [0003]
WO 2015/024625 A1 [0003]

Claims

Gasentnahmesonde (10) zur Entnahme von Gasproben aus einem heißen Reaktionsraum (22) umfassend einen Gaseinlass (14) zum Einlassen von Gasproben an einem ersten Endbereich der Gasentnahmesonde (10) und einen Gasauslass (16) an einem zweiten Endbereich der Gasentnahmesonde (10) zum Auslassen von Gasproben aus der Gasentnahmesonde (10), einen den Gaseinlass (14) umfassenden Sondenkopf (18), einen den Gasauslass (16) umfassenden Sondenkörper (20) und ein Gasentnahmerohr (12), das sich von dem Gaseinlass (14) zu dem Gasauslass (16) erstreckt, wobei das Gasentnahmerohr (12) von einer Kühleinrichtung (26) zur Kühlung des Gasentnahmerohrs (12) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentnahmesonde zumindest einen Sensor (70, 72) zum Ermitteln von Betriebsparametern und/ oder eines Verschleißzustandes aufweist.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Sensor (70, 72) innerhalb des Sondenkopfes (18) angebracht ist.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor (70, 72) in einem Hohlraum (74, 76) innerhalb des Sondenkopfes (18) angeordnet ist.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 3, wobei der Hohlraum mit einem Kanal (78) zum Führen von elektrischen Leitungen (82) innerhalb des Sondenkopfes (18) verbunden ist.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 3, wobei der Hohlraum (74, 76) vollständig von dem Material des Sondenkopfes (18) umgeben ist und einen geschlossenen Hohlraum (74, 76) innerhalb des Sondenkopfes (18) bildet.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sondenkopf (18) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt ist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Sensoren (70, 72) innerhalb des Sensorkopfes (18) angeordnet sind.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 7, wobei jeder Sensor (70, 72) in einem separaten Hohlraum (74, 76) angeordnet ist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der Hohlraum (74, 76) derart ausgebildet ist, dass der Sensor (70, 72) spielfrei innerhalb des Hohlraums (74, 76) aufgenommen ist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Hohlraum (74, 76) im Wesentlichen die Geometrie des Sensors (70, 72) aufweist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Sensoren (70, 72) gleichmäßig zueinander beabstandet innerhalb des Sensorkopfes (18) angeordnet sind.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Sensor (70, 72) im Bereich der Oberfläche des Sensorkopfes (18) angeordnet ist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Auswerteeinrichtung (82) vorgesehen ist, die mit dem zumindest einen Sensor (70, 72) in Verbindung steht.
Gasentnahmesonde nach Anspruch 13, wobei der Sensor (70, 72) derart ausgebildet ist, dass er Messdaten mittels Telemetrie an die Auswerteeinrichtung (82) übermittelt.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Auswerteeinrichtung (82) derart ausgebildet ist, dass sie aus den mittels des Sensors (70, 72) ermittelten Daten einen Zustand der Gasentnahmesonde (10) ermittelt.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sondenkopf (18) auf seiner Oberfläche eine Verschleißschutzeinrichtung (62), insbesondere aus einem Hartmetall, aufweist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sondenkopf (18) mit dem Sondenkörper (20) stoffschlüssig verbunden ist.
Gasentnahmesonde (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (26) eine Mehrzahl von Kühlkanälen (28, 30; 56, 58) aufweist, die um das Gasentnahmerohr (12) herum angeordnet sind und über einen Überströmbereich in dem Sondenkopf (18) miteinander in Fluidverbindung stehen.
Gasentnahmesonde (10) nach Anspruch 14, wobei der Überströmbereich eine Mehrzahl von Überströmkanälen (60) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Gasentnahmesonde (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sensor (70, 72) Betriebsparameter und/ oder einen Verschleißzustand ermittelt.
Verfahren zum Herstellen einer Gasentnahmesonde (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Sondenkopf (18) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt wird und wobei der zumindest eine Sensor (70, 72) während der Herstellung des Sondenkopfes (18) in dem Sondenkopf (18) positioniert wird.