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Die Erfindung betrifft eine Entnahmesonde zur Entnahme von Abgas stromab einer Brennkammer, mit einem Abgasteil zur Anordnung in einem heißen Abgasstrom, der eine in eine Sondenspitze mündende Entnahmeleitung mit einem im Bereich der Sondenspitze angeordneten Messgaseintritt und einer mit der Entnahmeleitung zur Kühlung von entnommenem Messgas mittels Kühlmedium in Wirkverbindung stehenden Kühlleitung umfasst, und mit einem Peripheriebereich zur Zu- und Abfuhr von Medien außerhalb des Abgasstroms, der einen Messgasaustritt, einen Kühlmediumeintritt und einen Kühlmediumaustritt umfasst, sowie ein Verfahren zur Entnahme von Abas vorzugsweise zur Durchführung mit der Entnahmesonde.
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Beim Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise von Gasturbinen zur Stromerzeugung, ist die Bestimmung des Schadstoffanteils in den Verbrennungsabgasen aufgrund zunehmend strenger Emissionsgrenzwerte von großer Bedeutung. Um den Schadstoffausstoß aus der Gaszusammensetzung eines Abgasstromes stromab einer Brennkammer bestimmen zu können, ist es bekannt, mittels einer Entnahmesonde einen kleinen Teil des Abgases als Messgasstrom zu entnehmen. Dieser Messgasstrom wird anschließend zur Analyse über beheizte Leitungen an einen Gasanalysator geleitet. Die Entnahme sowie die Analyse erfolgen üblicherweise kontinuierlich über die Betriebszeit der Brennkammer, oder über bestimmte Messzeitperioden während des Betriebs.
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Die zu untersuchenden Abgasspezies (z. B. Kohlenmonoxid (CO) und/oder Stickoxide (NOx)) reagieren sehr sensitiv auf Temperaturen. Bei sehr hohen Abgastemperaturen (>300 °C) in der Leitung zum Gasanalysator können diese weiter abreagieren, was zu einer Veränderung der Zusammensetzung des gemessenen Abgasses im Vergleich zum eigentlichen Messort führen würde. Daher müssen derart hohe Abgastemperaturen in der Leitung vermieden werden. Ferner können an der im heißen Abgas stehenden Entnahmesonde Oberflächenreaktionen durch zu hohe Oberflächentemperaturen, bspw. oberhalb von 300 °C, ablaufen, welche ebenfalls zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen. Untersuchungen haben gezeigt, dass bereits Unterschiede von etwa 50 K signifikante Einflüsse auf die gemessene CO-Konzentration ergeben können. Daher muss die Gastemperatur in der Entnahmestrecke (Entnahmesonde und anschließende Leitung zum Gasanalysator) so gering wie möglich, jedoch oberhalb des Taupunktes der enthaltenen Spezies, insbesondere Wasser, liegen. Eine Auskondensation der Spezies würde ebenfalls das Messergebnis verfälschen. Die Abkühlung sollte dabei schnellstmöglich erfolgen, um sicherzustellen, dass die Reaktionen im entnommenen Abgasstrom eingefroren werden, sodass die bei der Analyse ermittelte Messgaszusammensetzung der Zusammensetzung am Messort entspricht.
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Um die Temperatur im Messgas schnell absenken und damit die Zusammensetzung einfrieren zu können, sind wassergekühlte Entnahmesonden aus dem Stand der Technik bekannt. So gibt die
DD 256 372 A5 eine Entnahmesonde für heiße Gasproben an, die aus einem Innenrohr zur Gasführung und einem das Innenrohr umschließenden, eine Flüssigkeitskühlung aufweisenden Mantel besteht. Der Eintritt für das Messgas befindet sich an einem im Abgas stehenden Einführende an einer Sondenspitze. Zur Kühlung wird Kühlflüssigkeit, im allgemeinen Wasser, über entsprechende Anschlüsse in den Mantel ein- und ausgeleitet. Um eine Taupunktunterschreitung im Bereich des Innenrohres zu vermeiden, wird das Innenrohr mit einer Heizung, vorzugsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, versehen und gegenüber dem gekühlten Mantel durch eine Wärmeisolierung abgeschirmt.
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Die Gefahr der Taupunktunterschreitung ergibt sich dadurch, dass der Messgasstrom in der Regel sehr gering ist. Diesem wird ein Kühlwasserstrom, mit einer weitaus höheren Wärmekapazität, zugeordnet, sodass es zu einer starken Kühlwirkung kommt. Eine verringerte Kühlung über eine Reduktion des Kühlwasserstromes ist, insbesondere aufgrund der Gefahr von Kavitation, d.h. von Dampfblasenbildung, des Kühlwassers kaum möglich. Daher ist, wie auch bei der aus der
DD 256 372 A5 bekannten wassergekühlten Entnahmesonde ein hoher Aufwand erforderlich, um zu verhindern, dass der Taupunkt einer Abgasspezies unterschritten wird und diese in der Messeinrichtung kondensiert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei sehr hohen Abgastemperaturen die Kavitation des Kühlwassers durch hohe Kühlwasserdrücke verhindert werden muss. Dies bedingt einen aufwendigen Aufbau des Kühlwasserkreislaufes und der Kühlwasserführung in der Entnahmesonde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entnahmesonde bereitzustellen, die eine genaue Messung der Schadstoffe im Abgas stromab einer Brennkammer mit vergleichsweise geringem Aufwand ermöglicht, sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Die Aufgabe wird für die Entnahmesonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Für die Entnahmesonde ist vorgesehen, dass das Kühlmedium durch Kühlgas gebildet ist. Als Kühlgas wird in der Regel Kühlluft verwendet werden, es kann aber auch durch ein anderes, vorzugsweise nicht brennbares Gas gebildet sein. Es hat sich herausgestellt, dass sich das in dem Abgasteil zur Kühlung von entnommenem Messgas mit in Vergleich zur Kühlwasserverwendung geringem Aufwand in einem gewünschten Temperaturbereich halten lässt, indem ein entsprechender Kühlgasstrom eingestellt wird. Ein Absinken unterhalb einer unteren Grenztemperatur kann ohne Zusatzheizung verhindert werden, wobei aufgrund der zumindest ähnlichen Wärmekapazitäten (je nach Kühlgas) von Messgas und Kühlgas, höhere Massenströme einzustellen sind als bei der Verwendung von Kühlwasser. Dabei braucht die Gefahr von Kavitation nicht berücksichtigt werden. Die untere Grenztemperatur liegt bei der Taupunkttemperatur der in dem Abgas enthaltenen Spezies mit der höchsten Taupunkttemperatur, in der Regel Wasser. Die Soll-Temperatur liegt in einem Bereich, in dem keine nennenswerten Nachreaktionen in dem Messgas zu erwarten sind, die das Messergebnis verfälschen würden, beispielsweise unterhalb von 300 °C. Auch die Einhaltung der entsprechenden oberen Grenztemperatur lässt sich mittels des Kühlmediumstroms einstellen. Untersuchungen haben gezeigt, dass zur Einhaltung eines in diesem Temperaturbereich liegenden gewünschten Temperaturfensters mehr Kühlgas als Messgas zu verwenden ist. In Versuchen haben sich beispielsweise Kühlluft-Massenströme als geeignet herausgestellt, die zwischen einem Faktor 10 und 500 oberhalb des Messgas-Massenstromes lagen. Bei einem Messgasstrom von bis zu 0,1 g/s wurden beispielsweise Kühlluft-Massenströme zwischen 3 g/s und 15 g/s verwendet, wobei der Kühlluft-Massenstrom neben der Messgasmenge insbesondere auch von der Abgastemperatur abhängt. Durch die Verwendung von Kühlgas anstelle Kühlwasser kann weiterhin auf eine aufwendige Kühlwasserperipherie verzichtet werden. So lässt sich durch die erfindungsgemäße Entnahmesonde mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine genaue Abgasmessung erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird die Wirkverbindung zur Kühlung dadurch erreicht, dass die Entnahmeleitung von der Kühlleitung in einem Kühlbereich des Abgasteils zumindest bereichsweise umgeben ist. Dabei kann sich „bereichsweise“ auf die Umfangsrichtung oder auf die axiale Ausdehnung entlang einer Längsachse der Entnahmesonde beziehen. Eine besonders gute Kühlleistung lässt sich erreichen, wenn sich der Kühlbereich über die gesamte axiale Länge des Abgasteils erstreckt und/oder die Entnahmeleitung um ihren gesamten Umfang von der Kühlleitung umgeben ist.
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Eine besonders gleichmäßige Kühlung ist dabei erreichbar, wenn die Entnahmeleitung (in axialer Richtung) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise über den gesamten Abgasteil, koaxial von der Kühlleitung ummantelt ist, wobei vorzugsweise die Entnahmeleitung und/oder die Kühlleitung einen gerundeten, z.B. einen elliptischen, Querschnitt (orthogonal zur Längsachse) aufweist/aufweisen. So sind die beiden Leitungen in einer Art Rohr-in-Rohr- Anordnung mit einer gemeinsamen Mittellängsachse ausgeführt. Der gerundete Querschnitt insbesondere der Kühlleitung bringt dabei den Vorteil einer strömungsgünstigen Form, da die Entnahmesonde in der Regel quer zu einer Hauptströmungsrichtung in einen Abgasstrom eingebracht ist. Besonders günstig ist dabei ein z. B. runder oder elliptischer Querschnitt. Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch einen elliptischen Querschnitt der Kühlleitung, wobei die Entnahmeleitung auch rund ausgebildet sein kann. Die beiden Hauptscheitelpunkte des elliptischen Querschnitts sind dabei vorzugsweise in einer (orthogonal zur Längsachse stehenden) Höhenrichtung des Abgasteils ausgerichtet, wobei die Entnahmesonde bei Einbau in einen Abgasstrom bzgl. Höhenrichtung von unten von heißem Abgas angeströmt wird. Durch diese Form ergibt sich ein größerer Kühlgasstrom durch den oberen und unteren Bereich der Kühlleitung, während durch die - um 90° in Umfangsrichtung versetzten - Seitenbereichen der Kühlleitung weniger Kühlgas strömt. Somit wird der untere Bereich des Abgasteils, der von den ihn anströmenden heißen Abgasen besonders thermisch belastet ist, durch einen ausgeprägteren Kühlgas-Mantel besonders geschützt.
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Wenn das Kühlmedium innerhalb des Kühlbereichs in der Kühlleitung im Gleichstrom mit dem Messgas in der Entnahmeleitung geführt ist, ergibt sich eine Kühlwirkung auf das Abgas, die nahe der Sondenspitze am größten ist und in Strömungsrichtung, in Richtung des Peripheriebereiches, abnimmt. Somit wird zunächst ein schnelles Absenken der Messgastemperatur erzielt. Die Kühlwirkung sinkt jedoch im hinteren, von der Sondenspitze abgewandten, Teil der Entnahmesonde durch die ähnliche Wärmekapazität des Kühlgases im Vergleich zum Messgas und die damit verbundene Aufwärmung des Kühlgases. Dies ermöglicht selbst bei einer Entnahmesonde mit einem sich axial lang erstreckenden Abgasteil Messgastemperaturen oberhalb des Taupunktes der Abgasspezies.
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Vorzugsweise weist die Entnahmesonde eine Zuführleitung zur Zufuhr von über den Kühlmediumeintritt zugegebenem Kühlmedium an einen Übergangsbereich zwischen Zuführleitung und Kühlleitung in dem Kühlbereich auf. In der Zuführleitung wird das Kühlgas vorzugsweise noch nicht zur Kühlung von Messgas verwendet, d.h. es findet noch keine wesentliche Kühlung durch das Messgas während der Zufuhr statt. So wird eine effektive Kühlung nahe der Sondenspritze unterstützt. Der Übergangsbereich umfasst zumindest eine Öffnung zwischen Zuführleitung und Kühlleitung, um das Kühlgas in die Kühlleitung einzubringen. Der Übergangsbereich ist vorzugsweise im Bereich der Sondenspitze angeordnet, sodass sich die Kühlwirkung auf das Messgas möglichst kurz nach oder bei dessen Eintritt in die Entnahmeleitung entfaltet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist die Zuführleitung auf einer von einer (unteren) Anströmseite abgewandten (oberen) Seite des Abgasteils, insbesondere entlang der Kühlleitung, geführt. Durch die Anordnung der Zuführleitung auf der von der Anströmseite abgewandten Seite wird die Erwärmung des Kühlgases während der Zufuhr an den Übergangsbereich geringgehalten. Vorzugsweise ist die Zuführleitung dabei axial parallel zu der Kühlleitung, ohne Richtungskomponenten in Höhenrichtung oder zu den Seiten, geführt, sodass sich ein möglichst kurzer Zufuhrweg zu dem Übergangsbereich ergibt, was ebenfalls einer Minimierung der Erwärmung dient. Eine besonders kompakte und strömungsgünstige Querschnittsform des Abgasteils ergibt sich, wenn die Zuführleitung zwischen der Kühlleitung und einer auf dieser aufgesetzten Teilschale gebildet ist, so dass sich ein Hohlraum zur Zuleitung des Kühlgases ergibt. Besonders strömungsgünstig ist dabei eine Teilschalenform, die im Querschnitt in Höhenrichtung einen bogenförmigen, beispielsweise kreisbogenförmigen Verlauf der Teilschalenwandung aufweist, sodass der Leitungsquerschnitt ein Kreissegment bildet. Eine beispielsweise elliptische Form erfüllt dabei einen ähnlichen Zweck.
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Eine kompakte Bauform ist dadurch erreichbar, dass in dem Übergangsbereich von der Zuführleitung in die Kühlleitung eine Umlenkung in der Hauptströmungsrichtung des Kühlmediums um vorzugsweise 180° (bezüglich der axialen Richtung) vorgesehen ist. Auf diese Weise lässt sich die Kühlgasströmung in der Zuführleitung im Gegenstrom zu der Kühlleitung an den Übergangsbereich heranführen.
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Wenn der Übergangsbereich im Bereich der Sondenspitze angeordnet ist, kann sich die Kühlwirkung möglichst bald oder bei Eintritt des Messgases in die Entnahmeleitung entfalten, sodass unerwünschte Nachreaktionen im Messgas und/oder Oberflächenreaktionen mit der Sonde weitgehend vermieden werden. So lässt sich eine genaue Messung der Abgaszusammensetzung anhand des entnommenen Messgases erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Sondenspitze eine Abschlusswand auf, die derart angeordnet und/oder geformt ist, dass sie die Umlenkung der Strömung bewirkt, wobei die Strömung an der Abschlusswand im Wesentlichen anliegt. Die Abschlusswand bildet in axialer Richtung den Abschluss der Entnahmesonde bzw. des Abgasteils und ist vorzugsweise in dem Übergangsbereich zwischen Zuführleitung und Kühlleitung angeordnet. Dabei bildet sie vorzugsweise zusammen mit der Außenwandung der Kühlluftleitung eine äußere Wandung der Sondenspitze, die die Öffnung zwischen Zuführleitung und Kühlluftleitung begrenzt. Das aus der Zuführleitung kommende Kühlgas strömt - ggf. nach einer ersten Umlenkung in einem Endbereich der Teilschale - gegen die Abschlusswand und erfährt durch deren Versperrung eine - ggf. weitere - Umlenkung zur Strömung in die Kühlleitung. Wenn die Strömung bei der Umlenkung weitgehend an der Abschlusswand anliegt, kann eine möglichst flächendeckende Kühlung der stark thermisch belasteten Abschlusswand an der Sondenspitze erreicht werden, so dass die Oberflächentemperatur der Abschlusswand reduziert und damit Oberflächenreaktionen vermieden werden.
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Um ein Anliegen der Strömung zu erreichen, hat sich als besonders geeignet herausgestellt, wenn die Abschlusswand gegenüber der Höhenrichtung des Abgasteils in einem Winkel zwischen 5° und 85°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, z. B. 45°, geneigt ist. Die Neigung soll derart sein, dass der untere Bereich, auf der Anströmseite des Abgasteils, gegenüber dem oberen Bereich mit der aufgesetzten Zuführleitung zurückversetzt ist. Dabei ist die Abschlusswand vorzugsweise eben geformt, könnte aber z. B auch eine Wölbung aufweisen.
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Wenn stromab angrenzend an den Übergangsbereich in dem der Anströmseite gegenüberliegenden, oberen Bereich der Kühlleitung eine Blende in die Kühlleitung eingebracht ist, wird eine für die Kühlung der Sondenspitze besonders günstige Strömungsführung erreicht. In dem oberen Bereich der Kühlleitung ergibt sich durch die Blende eine Sperrwirkung, sodass die Öffnung in die Kühlleitung effektiv auf der Anströmseite angeordnet ist. Die Strömung wird somit von der Zuführleitung an der Anschlusswand vorbei auf die Anströmseite gelenkt, wo sie in die Kühlleitung eintreten und in Richtung Peripheriebereich strömen kann. So wird erreicht, dass ein Großteil der Strömung auf dem Weg in die Kühlleitung an der Abschlusswand vorbeiströmt, die auf diese Weise vorteilhaft intensiv gekühlt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Sondenspitze ein Thermoelement, insbesondere zur Messung der Sondenoberflächentemperatur, angeordnet. So kann vorzugsweise die Wandtemperatur der Abschlusswand gemessen werden, wobei vorteilhafterweise in der Wand eine Aussparung, beispielsweise eine Bohrung zur Einbringung der Thermoelementspitze eingebracht ist. Die Wandstärke beträgt an dieser Stelle zwischen 0,3 mm und 1 mm, z. B. 0,5 mm. So lässt sich das Thermoelement definiert positionieren, um reproduzierbare Messwerte zu übermitteln. Zu diesem Zweck ist es weiterhin vorteilhaft, wenn ein Führungskanal für das Thermoelement innerhalb der Kühlleitung vorgesehen. Zur Einhaltung des erwünschten Temperaturbereiches kann nun vorteilhaft auf die Wandtemperatur geregelt werden, d.h. der Kühlgasmassenstrom wird zur Einhaltung eines Solltemperaturbereichs entsprechend angepasst. Als vorteilhaft hat sich ein Sollbereich der Wandtemperatur zwischen 100 °C und 200 °C, bspw. zwischen 120 °C und 150 °C herausgestellt. Innerhalb dieses Temperaturbereiches haben sich in Untersuchungen gut reproduzierbare Emissionswerte ergeben, was insbesondere auf die Vermeidung von Oberflächenreaktionen an der Abschlusswand zurückzuführen ist, während die Emissionswerte oberhalb dieser Wandtemperaturen signifikante Änderungen aufwiesen. Vorteilhaft an der Überwachung der Wandtemperatur ist weiterhin, dass neben den Emissionswerten unmittelbar die Materialtemperatur an einer stark belasteten Stelle der Entnahmesonde überwacht wird, sodass die Wahrscheinlichkeit auf Schäden wegen übermäßiger thermischer Materialbelastung verringert wird.
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Zu Überwachungszwecken, insbesondere um einen Abfall unter die Taupunkttemperaturen im Abgas enthaltener Spezies zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn stromab des Kühlbereichs eine Thermoelementaufnahme zur Anbringung eines Thermoelements für die Messung der Messgastemperatur vorgesehen ist. Hierfür ist in der Entnahmeleitung, vorzugsweise im Peripheriebereich, ein Thermoelement über eine dafür vorgesehene gedichtete Durchführung eingebracht. An dieser Stelle lässt sich ein Thermoelement verhältnismäßig einfach einbringen. Stromab der Entnahmesonde können dann Heizleitungen zur Aufrechterhaltung einer definierten Messgastemperatur verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante umfasst der Peripheriebereich zumindest zwei Kühlmedienaustritte, die zueinander symmetrisch, insbesondere gegenüber einer Ebene in der Höhenrichtung der Entnahmesonde spiegelsymmetrisch, angeordnet sind. Dies unterstützt eine gleichmäßige Strömungsführung in der Kühlleitung auch am Ende des Kühlbereiches.
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Eine kompakte Bauform der Sonde lässt sich erhalten, wenn die Entnahmesonde mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt ist. Insbesondere bei Anwendungen stromab kleiner Brennkammern, z. B. solcher von Mikrogasturbinen, sind Entnahmesonden mit kleinen Abmessungen von Vorteil, da sie eine geringere Störwirkung im Abgasstrom entfalten. Mit selektivem Laserschmelzen lassen sich Abmessungen mit einer Breite des Abgasteils von kleiner 10 mm mit einer erforderlichen Genauigkeit erreichen. Entscheidend ist auch, dass ein hochtemperaturfestes Material verwendet wird, das nicht-katalytisch wirkt, um verstärkte Reaktionen im Messgas zu vermeiden. Ein geeignetes Material bildet beispielsweise NiCr19NbMo (Alloy 718).
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Entnahmesonde in perspektivischer Ansicht,
- 2 einen Querschnitt durch einen Abgasteil der Entnahmesonde gemäß 1 mit Sicht in Richtung Sondenspitze,
- 3 einen Längsschnitt durch die Entnahmesonde gemäß 1 in Höhenrichtung,
- 4 eine vergrößerte Ansicht einer Sondenspitze der Entnahmesonde aus dem Längsschnitt gemäß 3,
- 5 eine vergrößerte Ansicht des Übergangs zwischen einem Abgasteil und einem Peripheriebereich der Entnahmesonde aus dem Längsschnitt gemäß 3 und
- 6 ein Diagramm mit Messungen der CO-Emissionen über einer an der Sondenspitze der Entnahmesonde gemessenen Wandtemperatur.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Entnahmesonde 1 mit einem Abgasteil 2 und einem Peripheriebereich 3, die sich axial entlang einer Längsachse L erstreckt. Mit der Entnahmesonde 1 lässt sich kontinuierlich Messgas aus einem heißen Abgasstrom (mit Temperaturen größer 300 °C) stromab einer Brennkammer entnehmen, um die darin enthaltenen Bestandteile, insbesondere Schadstoffe, zu bestimmen. Die Brennkammer kann beispielsweise einen Teil einer Gasturbinenanordnung, beispielsweise einer Mikrogasturbinenanordnung, bilden.
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Der Abgasteil 2 ist dazu ausgebildet, teilweise oder vollständig in dem heißen Abgasstrom angeordnet zu werden. Dabei ist der Abgasteil 2 in der Regel quer zu der Hauptströmungsrichtung des Abgases ausgerichtet und wird auf einer Anströmseite 5 von dem heißen Abgas angeströmt (Strömungsrichtung angedeutet durch Pfeil 5.1). Die Anströmseite 5 bildet hier definitionsgemäß die untere Seite der Entnahmesonde 1 bzw. des Abgasteils 2. Die Abgasentnahme erfolgt über einen Messgaseintritt 42 an einer Sondenspitze 4. Durch längliche Ausbildung des Abgasteils 2, wobei die axiale Erstreckung in Richtung der Längsachse L größer ist als die Ausdehnung in die Höhe (von unten nach oben) oder Breite, lässt sich Abgas auch aus größeren Tiefenbereichen eines Abgaskanals entnehmen, beispielsweise aus der Mitte des Abgasstromes. Hierzu ist die Länge des Abgasteils 2 vorzugsweise derart auf den Abgaskanal ausgelegt, in dem sie zum Einsatz kommt, dass die Sondenspitze 4 mit dem Messgaseintritt 42 zumindest bis in die Mitte des Abgaskanals positioniert werden kann. Die in dem Abgasteil 2 verlaufenden Leitungen sind dabei zu einer kompakten Leitungsanordnung zusammengefasst, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand in dem Abgasstrom zu bieten.
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Der Peripheriebereich 3 liegt außerhalb des Abgaskanals und weist Zu- und Abfuhrleitungen für Medien auf. Dies sind im Einzelnen ein Messgasstutzen 37 mit einem Messgasaustritt 38 zur Ausleitung von Messgas aus der Entnahmesonde 1. An den Messgasaustritt 38 ist im Betrieb zweckmäßigerweise eine (vorzugsweise beheizte) Leitung zur Weiterleitung an einen Gaskatalysator angeschlossen (hier nicht dargestellt). Weiterhin umfasst der Peripheriebereich 3 eine Eintrittsleitung 32 mit einem Kühlmediumeintritt 31 und zwei Austrittsleitungen 34 mit jeweils einem Kühlmediumaustritt 35, über das zur Kühlung verwendetes Kühlgas, bspw. Kühlluft, z.B. an die Umgebung abgeblasen wird. Die Austrittsleitungen 34 sind dabei über jeweils einen Krümmer 36 zunächst zu beiden Seiten der Entnahmesonde 1 nach außen geführt, um dann das Kühlgas durch die nach oben gerichteten Kühlmediumaustritte 35 auszublasen. Die Austrittsleitungen 34 sind spiegelsymmetrisch zueinander bezüglich einer Mittelängsebene (durch die Längsachse L und in Höhenrichtung der Entnahmesonde 1 verlaufend) ausgerichtet.
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In dem Peripheriebereich 3 sind die Leitungen für eine gute Zugänglichkeit einzeln geführt, während sie in dem Abgasteil 2 zu einem kompakten Leitungsverbund zusammengefasst sind. Zu diesem Zweck ist die Eintrittsleitung 32 für das Kühlgas über einen Krümmer 33 an den Abgasteil 2 herangeführt und geht dort in eine Zuführleitung 21 über.
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Der Abgasteil 2 umfasst eine Abführleitungsanordnung 22 mit einer Entnahmeleitung 22.2 (vgl. 2, 3) und einer die Entnahmeleitung 22.2 ummantelnden Kühlleitung 22.1. Die Entnahmeleitung 22.2 und die Kühlleitung 22.1 sind koaxial zueinander angeordnet. Durch diese Anordnung steht die Kühlleitung 22.1 mit der Entnahmeleitung 22.2 zur Kühlung von Messgas in Wirkverbindung, indem sie in einem Kühlbereich den gesamten Umfang der Entnahmeleitung 22.2 umgibt. Vorliegend erstreckt sich der Kühlbereich über den gesamten Abgasteil 2, um eine möglichst große Kühlfläche zu erhalten.
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Auf der Oberseite des Abgasteils 2 bzw. der Entnahmesonde 1, die der Anströmseite 5 gegenüberliegt, ist die Zuführleitung 21 angeordnet. Die Zuführleitung 21 dient zur Zufuhr von Kühlmedium an einen Übergangsbereich 44 (vgl. 3, 4), an dem das Kühlmedium in die Kühlleitung 22.1 übergeleitet wird.
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Wie 2 in einem Querschnitt über die Höhe des Abgasteils 2 mit Blick in Richtung Sondenspitze 4 genauer zeigt, ist vorliegend die Zuführleitung 21 mittels einer auf der Oberseite einer Wandung 21.2 der Kühlleitung 22.1 aufgesetzten Teilschale 21.1 gebildet. Der Querschnitt der Teilschale 21.1 ist derart, dass sich zwischen der Teilschale 21.1 und der Wandung 21.2 ein Hohlraum zur Zuleitung des Kühlgases ergibt. Die Teilschalenform verläuft in Querschnittsrichtung gerundet, hier kreisbogenförmig, so dass der Leitungsquerschnitt ein sichelförmiges Kreissegment bildet. So wird ein besonders kompakter und strömungsgünstiger Querschnitt des Abgasteils 2 erreicht. Durch die Anordnung der Zuführleitung 21 auf der von der Anströmseite abgewandten Seite wird die Erwärmung des Kühlmediums während der Zufuhr an den Übergangsbereich 44 geringgehalten. Zu diesem Zweck dient auch die Führung der Zuführleitung 21 entlang der axialen Richtung, parallel zu der Abführleitungsanordnung 22, wodurch sich ein möglichst kurzer Zufuhrweg an den Übergangsbereich 44 (vgl. 3, 4) ergibt. Der Übergangsbereich 44 wird im Zusammenhang mit 4 genauer beschrieben. Die Querschnittsflächen der Zuführleitung 21 und der Kühlleitung 22.1 sind vorzugsweise größer dimensioniert als die der Entnahmeleitung 22.2, da bei der Kühlung mittels Kühlgas ein höherer Massenstrom an Kühlgas als an Messgas erforderlich ist. In Versuchen haben sich beispielsweise Kühlluft-Massenströme als geeignet herausgestellt, die zwischen einem Faktor 10 und 500 oberhalb des Messgas-Massenstromes lagen. Dabei hängt der Kühlgasmassenstrom entscheidend von der Temperatur des Abgases ab, die wiederum von dem Betriebspunkt in der Brennkammer abhängt.
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Der Übergangsbereich 44 befindet sich an der Sondenspitze 4, an der das stirnseitige Ende des Abgasteils 2 bzw. der Entnahmesonde 1 durch eine Abschlusswand 41 gebildet wird. Die Abschlusswand 41 ist gegenüber einer orthogonal auf der Längsachse L stehenden Ebene in einem Winkel von vorzugsweise 45° geneigt, derart, dass die Anströmseite 5 gegenüber der oberen Seite des Abgasteils 2 bzw. der Entnahmesonde 1 axial zurückversetzt ist.
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Die Strömungsführung innerhalb der Entnahmesonde 1 ist aus 3 und 4 erkennbar, die einen Längsschnitt in Höhenrichtung zeigen, wobei die Strömung in 4 durch Pfeile angedeutet ist. Das Messgas wird aus dem Abgasstrom über den Messgaseintritt 42 in die Entnahmeleitung 22.2 gesaugt und strömt in axialer Richtung zu dem Messgasaustritt 38. Von dort erfolgt die Weiterleitung vorzugsweise über eine beheizte Leitung zu einem Gasanalysator (hier nicht dargestellt).
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Das Kühlmedium, das durch Kühlgas, z.B. Kühlluft, gebildet ist, wird über die Eintrittsleitung 32 und den Krümmer 33 in die Zuführleitung 21 eingebracht und strömt im Gegenstrom zum Messgas über die Zuführleitung 21 an den Übergangsbereich 44. Der Übergangsbereich 44, genauer dargestellt in 4, umfasst eine Öffnung 44.1 zwischen der Zuführleitung 21 und der Kühlleitung 22.1. Die Öffnung 44.1 wird zwischen der axialen Wandung 21.2 zwischen Kühlleitung 22.1 und Zuführleitung 21 und der äußeren Wandung der Sondenspitze 4 gebildet, indem die Wandung 21.1 axial zurückversetzt gegenüber der Sondenspitze 4 endet, d.h. die äußere Wandung der Sondenspitze 4 nicht berührt, um einen Spalt freizulassen. In dem Übergangsbereich 44 wird zunächst das aus der Zuführleitung 21 kommende Kühlgas durch eine nach unten weisende Wölbung 21.3 der Teilschale 21.1 als Übergang in Richtung Abschlusswand 41 gelenkt. Die Wölbung 21.3 und die Abschlusswand 41 bilden die äußere Wandung der Sondenspitze 4. Durch die nach unten weisende Wölbung 21.3 wird verhindert, dass durch die Neigung der Abschlusswand 41 eine spitzwinklige Zone entsteht, die aufgrund einer ungünstigen Strömungszugänglichkeit unzureichend kühlbar wäre. Nach diesem Übergang tritt das Kühlgas durch die durch den Spalt gebildete Öffnung 44.1, strömt gegen die Abschlusswand 41 und erfährt durch deren Versperrung eine weitere Umlenkung. In Summe ergibt sich so eine Umlenkung der Strömung durch den gewölbten Übergang und die Abschlusswand 41 um 180°. Bei der Umlenkung liegt die Strömung an der äußeren Wandung der Sondenspitze 4, insbesondere der Abschlusswand 41 im Wesentlichen an, was durch die Neigung der Abschlusswand 41, auch im Zusammenwirken mit der Wölbung 21.3, erreicht wird. So kann eine weitgehend flächendeckende Kühlung der stark thermisch belasteten Abschlusswand 41 an der Sondenspitze 4 erreicht werden. Stromab angrenzend an den Übergangsbereich ist in dem oberen Bereich der Kühlleitung 22.1 eine Blende 43 eingebracht (vgl. auch 2). Die Blende 43 ist vorliegend gegenüber dem Ende der Wandung 21.2 zurückversetzt angeordnet, um in dem Übergangsbereich den Strömungsquerschnitt der nach unten geleiteten Strömung nicht zu verkleinern. Sie könnte jedoch z.B. auch direkt an der Öffnung 44.1 anschließen und dann ebenfalls z.B. in einem 45°-Winkel nach bzgl. der Höhenrichtung unten verlaufen, anstelle in Höhenrichtung wie in dem Ausführungsbeispiel. Durch die Blende 43 ergibt sich in dem oberen Bereich der Kühlleitung 22.1 eine Sperrwirkung. Dadurch wird im Wesentlichen die gesamte Strömung von der Zuführleitung 21 an der Abschlusswand 41 vorbei auf die untere Seite der Kühlleitung gelenkt, wo sie in die Kühlleitung 22.1 eintreten und in Richtung Peripheriebereich 3 strömen kann. Durch diese Strömungsführung, unter Verwendung der Blende 43, wird eine intensive Kühlung der stark thermisch belasteten Abschlusswand 41 erreicht.
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Zur Überwachung der Wandtemperatur ist an der Abschlusswand 41 ein Thermoelement 60 angebracht (vgl. 3). Dieses wird vorzugsweise über eine (hier nicht dargestellte) Bohrung definiert positioniert, um eine repräsentative Temperaturmessung zu erhalten. Das Thermoelement 60 wird über eine abgedichtete Durchführung 61 und eine Führung 63 (vgl. Fig. auch 2) an die Messposition geführt.
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Das umgelenkte Kühlgas strömt nun durch die die Entnahmeleitung 22.2 ummantelnde der Kühlleitung 22.1 im Gleichstrom mit dem Messgas in der Entnahmeleitung 22.2 in Richtung Peripheriebereich 3. Durch die Gleichstromanordnung ergibt sich an der Sondenspitze 4 eine besonders hohe Kühlwirkung, die eine schnelle Abkühlung des Messgases bewirkt und so unerwünschte Nachreaktionen im Messgas möglichst schnell unterbindet.
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Der Übergang der Leitungen zwischen dem Abgasteil 2 und dem Peripheriebereich 3 ist in 5 genauer dargestellt, die eine Vergrößerung in diesem Bereich des Längsschnitts aus 3 zeigt. Die Kühlleitung 22.1 ist durch einen Abschluss 39 axial begrenzt. Das Kühlgas strömt durch zwei seitliche Öffnungen, von denen im Längsschnitt eine erkennbar ist, in die Austrittsleitungen 34. Die beiden seitlichen Öffnungen sind, ebenso wie die Austrittsleitungen 34, zueinander symmetrisch bezüglich der Höhenebene durch die Längsachse L ausgerichtet. Die symmetrische Anordnung bringt den Vorteil, dass bis zum Ende des Abgasteils 2 eine gleichmäßig umgebende Kühlgasströmung in der Kühlleitung 22.1 erreicht wird.
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Stromab des Abgasteils 2 ist in den Messgasstutzen 37 eine weitere Durchführung für ein Thermoelement 62 zur Überwachung der Messgastemperatur eingebracht (vgl. 3). Durch die weitere Messung kann sichergestellt werden, dass sich die Messgastemperatur innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs, vorzugsweise unterhalb von 300 °C und oberhalb der Taupunkttemperatur einer Abgasspezies, befindet.
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Im Betrieb der Entnahmesonde 1 kann durch die Verwendung von Thermoelementen 60, 62 zur Überwachung der Temperatur auch vorteilhaft eine Temperaturregelung angewandt werden. Beispielsweise kann für die Temperaturregelung vorteilhaft die Temperatur der Abschlusswand 41, gemessen mit dem Thermoelement 60, verwendet werden. Zur Einhaltung eines gewünschten Temperaturbereiches kann der Kühlgasmassenstrom entsprechend angepasst werden.
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Als vorteilhafter Sollbereich der Wandtemperaturen an der Sondenspitze hat sich in Untersuchungen ein Temperaturbereich zwischen 100 °C und 200 °C, z.B. zwischen 120 °C und 190 °C oder 120 °C und 150°C herausgestellt. 6 zeigt ein Diagramm 70 mit einem gemessenen Emissionsverlauf in Abhängigkeit der Wandtemperatur an der Sondenspitze 4 der Emissionssonde 1, wobei die Abgastemperaturen deutlich über 1000 °C lagen. Dabei ist ein gemessener CO-Anteil 71 in [ppm] über der Temperatur 72 an der Sondenspitze in [°C] aufgetragen. Die Messergebnisse 73 zeigen CO-Emissionen von rund 35 ppm für Temperaturen 72 von kleiner als 190 °C. Für steigende Temperaturen 72 steigen die CO-Emissionen deutlich an. Bei einer Temperatur 72 von 280 °C wurden bereits CO-Emissionen von 45 ppm detektiert. Dieses Verhalten verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Wandtemperatur an der Sondenspitze und den Messergebnissen des CO. Eine Temperaturregelung basierend auf der Wandtemperatur an der Sondenspitze kann diesen Zusammenhang entsprechend ausnutzen.
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Mithilfe der erfindungsgemäßen Entnahmesonde 1 ist ein systematisches Einstellen der Wandtemperatur möglich, was verlässliche und reproduzierbare Messbedingungen für unterschiedliche Abgasbedingungen erlaubt. Auf eine aufwendige Kühlwasserperipherie kann dabei verzichtet werden, ebenso wie auf eine Beheizung der Entnahmesonde 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3923544 C1 [0004]
- DE 8409511 U1 [0004]
- EP 1944598 A1 [0004]
- DE 102011087000 A1 [0004]
- WO 2013/021135 A1 [0004]
- DD 256372 A5 [0005, 0006]
