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Zur Anzeige, Registrierung oder vorzugsweise als Fühler für Regler
dienende Einrichtung zur Messung der Wobbezahl &on Brenngasen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Wobbezahl von Brenngasen, die
vornehmlich als Fiihler für Regler verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung
kann jedoch auch zur Anzeige und Registrierung benutzt werden.
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Bei der Einrichtung wird das Gas über eine Brennerblende mit konstantem
Vordruck einem Brenner zugeführt, dessen Abgase zur Erwärmung eines Kühlmittels
benutzt werden. Als Kühlmittel wird Luft verwendet. Die Temperaturerhöhung der erwärmten
Kühlluft wird durch einen Ausdehnungskörper gemessen.
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Die Wärmeleistung N eines Gasbrenners ist gegeben durch die Formel:
wobei A SpK der Druckabfall am Brenner und W die Wobbezahl des Gases ist. Die Wobbezahl
selbst ist definiert durch die Formel: H W= 11 t wobei H der Heizwert, bezogen auf
Nm3, und d die Gasdichte, bezogen auf Luft, ist. Im allgemeinen wird man den unteren
Heizwert einsetzen, da die Ofentemperaturen meist so liegen, daß der Wasserdampf
gasförmig entweicht.
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Die Wobbezahl läßt sich bestimmen, indem Heizwert und Dichte getrennt
gemessen, und dann die Quotientenbildung g mit geeigneten Geräten durchgeführt wird.
Diese Methode ist nur dann von Interesse, wenn die Werte H bzw. 1 aus irgendwelchen
Gründen selbst von Interesse sind. Im allgemeinen ist es jedoch einfacher, die Wobbezahl
direkt zu messen, da hierbei die durch die getrennte Messung von Heizwert und Dichte
bedingten verfahrenstechnischen und apparatetechnischen Schwierigkeiten in Fortfall
kommen.
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Es ist bereits bekanntgeworden, zur Bestimmung des Heizwertes die
Temperaturerhöhung eines Kühlmittelstromes durch eine mit konstantem Vordruck brennende
Gasflamme zu verwenden. Weiterhin ist es auch bereits bekannt, die Flamme eines
Brenners durch Einstellung des Gasvordruckes so einzuregeln, daß ein konstanter
Kühlluftstrom um eine konstante Temperaturdifferenz erhitzt wird. Der Gasdruck bzw.
die Gasmenge ist hierbei ein Maß für die Wobbezahl.
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Als Kühlmittel können Flüssigkeiten oder Gase verwendet werden, vorwiegend
wird man hierbei Luft als Kühlmittel anwenden. Die Kühlmiftel können entweder zwangsweise
unter Verwendung von Pumpen oder Gebläse oder auch durch thermischen Auftrieb bewegt
und dosiert werden. Wenn Luft als Kühl-
mittel verwendet wird, wird diese zwecks
besserer Wärmeübertragung direkt der Gashrennerfiamme zugeführt.
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Die vorliegende Erfindung weist gegenüber den bekannten Verrichtungen
den, Vorteil auf, daß sie einen Steuerdruck abgibt, dessen Größe eine eindeutige
Funktion der Wobbezahl des zu messenden Gases ist, Vorteilhafterweise kann dieser
Steuerdruck unmittelbar zur Betätigung von Druckreglern oder Druckmessern verwendet
werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Ausdehnungskörper die
Durchflußmenge des über eine Blende zugeführten Kühlluftstromes durch sBeeinflussung
seines Vordruckes vor der Luftblende beispielsweise mittels einer Prallplatte und
eines durch den Prallplattendruck gesteuerten Druckreglers derart regelt, daß die
mit dem Ausdehnungskörper gemessene Temperaturerhöhung der erwärmten Kühiluft konstant
gehalten wird, wobei der Vordruck der Kühlluft als Funktion der Wobbezahl von einem
an sich bekannten, in Wobbezahleinheiten geeichten Druckmesser gemessen oder zur
Beeinflussung eses Registriergerätes, beispielsweise einer schreibenden Ringwaage,
oder als Impuls für einen Reer benutzt wird, und daß zwecks Erzielung einer guten
Durchmischung von Flammenabgasen und Kühlluft eine~starke Wirbelung bewirkende und
eine Erwärmung des Ausdehtlungskörpers durch Strahlung verhindernde Leitbleche vorgesehen
sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch einen mit konstantem
Vordruck arbeitenden Gasbrenner ein Ausdehnungskörper erhitzt. Dieser Ausdehnungskörper
regelt die Durchflußmenge des iiber die Blende zugeführten Kiihlluftstromes, der
mit den Abgasen gemischt wird, beispielsweise mittels einer Prallplatte oder eines
geeigneten Druckreglers so ein, daß bei Erhöhung der Wobbezahl und damit der Brennerleistung
Kühlluftmenge so weit vergrößert wird, daß die Temperatur der Kühlluft und damit
die Ausdehnung des Ausdehnungskörpers konstant gehalten wird. Der Kühlluftbedarf
und damit der Vordruck, der an der Kühlluftblende herrscht, sind eine Funktion der
Brennerleistung und damit auch der Wobbezahl des Brenngases. Dieser Vordruck kann
in einfacher Weise als Steuerdruck zur Betätigung eines Reglers verwendet werden
oder aber mit Hilfe an sich bekannter Durchmesser zur Anzeige, Registrierung oder
auch zur Regelung der Wobbezahl benutzt werden. Um eine einwandfreie Messung zu
erzielen, sind Leitbleche angeordnet, die eine Mischung der Flammengase und der
Kühlluft durch Wirbelung begünstigen und gleichzeitig eine Erwärmung des Ausdehnungskörpers
durch Strahlung verhindern.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird als Ausdehnungskörper ein
durch die erwärmte Kühlluft von außen beaufschlagtes dünnwandiges Metallrohr verwendet.
Die Temperatur der erwärmten Kühlluft wird also mit einem Ausdehnungskörper gemessen,
der als dünnwandiges Metallrohr ausgebildet ist. Ein solches Metallrohr besitzt
ein sehr günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Matenalvolumen und damit auch eine
kleine Wärmezeitkonstante. Andererseits ist die mechanische Festigkeit etwa die
eines Ausdehnungsstabes, der an sich eine große Zeitkonstante besitzt. Das erfindungsgemäße
Ausdehnungsrohr vereinigt also die Vorteile der als Ausdehnungsthermometer bekannten
Drähte oder Stäbe, vermeidet jedoch deren Nachteile.
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Zwecks Kompensation der Eintrittstemperatur der Kühlluft wird der
die Temperatur der erwärmten Kühlluft messende Aus dehnungskörp er in einem Rahmen
aus zwei Metallrohren gleichen Materials gehalten, die außerhalb des Gehäuses angeordnet
sind und durch strömende Kühlluft auf der Kühllufteintrittstemperatur gehalten werden.
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Während das innere dünnwandige Metallrohr die Temperatur der erwärmten
Kühlluft annimmt, nehmen die beiden äußeren Rohre die Temperatur der Kühlluft vor
dem Eintritt in das Gerät an. Die Prallplattenauslenkung ist proportional der Längs
differenz der äußeren Rohre und des inneren Rohres und damit auch proportional der
Temperaturerhöhung der Kühlluft. Durch diese Anordnung wird also tatsächlich, wie
erforderlich, nicht die Temperatur der erwärmten Kühlluft, sondern die Temperaturdifferenz
zwischen Eintritt und Austritt gemessen.
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Wenn der Brenner mit Primärluft arbeiten soll, wird diese nicht von
außen zugeführt, sondern erfin dungsgemäß von dem Kühlluftstrom durch eine geeignete
Blendenanordnung abgezweigt, da sonst die Anzeige von der Menge der zugeführten
Primärluft abhängig sein würde.
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Sorgt man dafür, daß Kühlluft und Gas vor dem Eintritt in das Gerät
die gleiche Temperatur haben (gegebenenfalls durch einen Wärmeaustauscher), so geht
die Temperatur sowie der äußere Luftdruck nicht in die Messung ein, da die Luft-
und die Gasmenge in gleicher Weise druck- und temperaturabhängig sind, denn beide
werden ja durch Blenden dosiert. Die
Raumtemperatur beeinflußt nur die Wärmeabgabe
des Gehäuses an die Umgebung; da jedoch die Wärmeverluste, wie bereits ausgeführt,
klein sind gegenüber der umgesetzten Leistung, ist der Einfluß der Raumtemperatur
unwesentlich. Nach dem Vorhergesagten mißt das Gerät also die Wobbezahl, reduziert
auf Normalzustände, jedoch ohne Berücksichtigung der Luft- bzw. Gas feuchtigkeit.
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Die Messung wird jedoch durch die Feuchtigkeit des Gases beeinflußt,
die sowohl Dichte als auch Heizwert verändert. Das ist meist ohne Bedeutung. Der
Fehler durch die Feuchtigkeit der Kühlluft ist vernachlässigbar. Es ist weiter zu
erwähnen, daß das Gerät die Wobbezahl, bezogen auf den unteren Heizwert und nicht
auf die Verbrennungswärme, mißt, eine Tatsache, die für Ofenregelungen günstig ist,
da hier die Temperaturen immer über dem Taupunkt liegen.
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Bei Messung und Regelung des unteren Heizwertes wird erfindungsgemäß
die dem Gerät zugeführte Gasmenge unabhängig von der Dichte konstant gehalten.
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Dies kann beispielsweise durch einen Regler geschehen, der mit einer
Gasuhr als Fühler arbeitet, oder durch Benutzung einer Blende, deren Vordruck dichteproportional
gemacht wird, beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Gebläses zur Erzeugung
des Vordruckes.
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Wenn die erweiterte Wobbezahl w, = HX p Pc d gemessen werden soll,
wird erfindungsgemäß dem Brenner das Gas über eine Blende mit dem gleichen Vordruck
wie den Verbrauchern zugeführt.
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Die vorliegende Erfindung kann in mehreren Formen verwirklicht werden.
Über eine Blende wird dem Gerät ein Kühlluftstrom zugeführt, der durch dieAbgase
des mit konstantem Gasvofdruck arbeitenden Brenners erwärmt wird. Die Temperatur
der erwärmten Kühlluft wird mittels eines Ausdehnungskörpers gemessen, der über
ein geeignetes Stellglied den Vordruck vor der Kühlluftblende und dadurch die Kühlluftmenge
so regelt, daß die Ausdehnung des Ausdehnungskörpers konstant gehalten wird.
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In Abänderung dieser Ausführungsform kann das als Ausdehnungskörper
verwendete dünnwandige Metallrohr durch einen konstanten Kühlluftstrom im Inneren
des Rohres gekühlt werden.
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In weiterer Abwandlung der Erfindung kann auch ein zwangsweise zugeführter
Kühlluftstrom durch Beimengung der Flammengase erwärmt und außen an dem Ausdehnungsrohr
vorbeigeleitet werden, während ein anderer Kühlluftstrom durch das Innere des Ausdehnungskörpers
geführt wird. Hierbei wird der im Inneren des Ausdehnungskörpers befindliche Kühlluftstrom
geregelt, während der durch die Flammenabgase erwärmte äußere Kühlluftstrom konstant
bleibt. Diese Ausführungsform kann dadurch variiert werden, daß der äußere Kühlluftstrom,
der durch Beimengung der Abgase erwärmt wird, nicht zwangsweise zugeführt wird,
sondern von der Flamme thermisch, d. h. durch Schornsteinwirkung eingesaugt wird.
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Sämtliche vorerwähnten Ausführungsformen liegen innerhalb des Bereiches
der Erfindung.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist folgende:
Die Wärmeleistung eines mit konstantem Vordruck arbeitenden GasbrennerswNo ist proportional
der Wobbezahl W des Gases. Für eine Wobbezahl W1 gilt eine bestimmte Kühlluft:
menge
voll mit dem zugehörigen Vordruck PL 1 Erhöht sich jetzt die Wobbezahl auf den Wert
W2, so steigt die Brennerleistung proportional zur Erhöhung der Wobbezahl von NGr
auf N<R2- an. Die Kühlluft wird entsprechend stärker erwärmt, der Ausdehnungskörper
dehnt sich aus, der Kühlluftvordruck und damit die Kühlluftmenge steigen an, da
die Prallplatte schließt; mit dem Ansteigen der Kühlluftmenge sinkt die Temperatur
der erwärmten Kühlluft wieder ab. Das Gerät enthält also einen Regelkreis mit einem
proportional wirkenden Regler mit dem Ausdehnungskörper als Fühler und Prallplatte
und Kühlluftregler als Verstärker und Stellglied, der die Temperatur der erwärmten
Kühlluft konstant hält. Da es sich um einen proportionalen Regler handelt, wird
die Temperatur- nur bis auf einen von der Steilheit des Reglers abhängigen Proportionalbereich
des Reglers konstant gehalten. Der Proportionalbereich kann aber durch geeignete
Dimensionierung klein gehalten -werden, so daß er im allgemeinen vernachlässigbar
ist. Vernachlässigt werden kann bei geeigneter Konstruktion ebenfalls die Wärmeabgabe
des Gehäuses an die Um gerbung, da die Wärmeverluste klein sind gegenüber der Brennerleistung.
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Die Brennerleistung wird -also- somit fast vollkommen zur Aufheizung
der Kühlluft verwendet. Es ist also das Produkt aus Temperaturerhöhung- der Kühlluft
und ihrer Menge proportional der Wärmeleistung des Brenners und damit auch proportional
der Wobbe zahl des Gases. Da aber die Temperaturerhöhung nach dem oben Gesagten
durch den inneren Regelkreis des Gerätes im wesentlichen konstant gehalten wird,
ist die Kühlluftmenge proportional der Wobbezahl. Als Maß für die Kühlluftmenge
VL dient der Vordruck an der Blende. Aus der bekannten Beziehung zwischen Vordruck
und Menge an der Blende ergibt sich dann der Zusammenhang: PL = konst. W2 FürRegelzwecke
ist die Tatsache des quadratischen Zusammenhangs der AusgangsgrößepL mit der Meßgröße
W oft günstig, da hierdurch das Gerät im eigentlichen Arbeitsbereich, der im allgemeinen
im oberen Teil des Meßbereiches liegt, am empfindlichsten ist. Mit Hilfe eines an
sich bekannten radizierenden Druckmessers läßt sich, falls erwünscht, auch leicht
eine lineare Anzeige erreichen.
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Wie bereits erwähnt, soll das Gerät vorzugsweise für Regelzwecke
verwendet werden. Für diese Verwendung ist ein gutes Zeitverhalten, d. h. ein schnelles
Ansprechen wesentlich. Hierzu muß man die Wärmezeitkonstante des Gehäuses, die im
allgemeinen in der Größenordnung von Minuten liegt, möglichst unwirksam machen,
und weiter muß der Temperaturfühler schnell reagieren. Da durch die erfindungsgemäße
Regelung der Temperatur der erwähnten Kühlluft auch das Gehäuse bei Veränderung
der Wobbezahl seine Temperatur fast nicht ändert, kann die Wärmezeitkonstante des
Gehäuses auch keine Verzögerung der Messung bewirken.
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Die Abbildungen zeigen beispielsweise Ausffihrungsformen der Erfindung,
und es bedeutet Abb. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung in Vorderansicht,
Aufsicht und Schnitt Abb. 2 eine Einrichtung zur Regelung der Wobbezahl eines Gemisches
aus zwei Gasen mit unterschiedlichen Heizwerten, Abb. 3 eine Darstellung der erfindungsgemäßen
Einrichtung in abgewandelter Ausführungsform gemäß Abb. 1, wobei das Innere des
Ausdehnungs-
körpers von einem Kühlluftstrom zusätzlich beaufschlagt wird.
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Gemäß Abb. 1 wird einem gestreckten Brenner 1 in einem Gehäuse 2
-über einer Brennerbiende 3-das zu messende Gas mit einem durch den Vordruckregler
4 konstant gehaltenen Vordruck Po zugeführt. Die Abgase der Flammen mischen sich-
mit der Kühlluft, die über die Kühlluftblende 5 mit dem Vordruck über besonders
angeordnete Leitbleche 8 wird -die durch besonders geordnete Leitbleche 8 wird die
durch Mischung mit den Abgasen erwärmte Kühlluft an dem als Temperaturfühler dienenden
Ausdehnungskörper 7 vorbeigeführt und entweicht ins Freie. Der Ausdehnungskörper
ist mit- dem- Prallplattenhebel 9 verbunden, der bei Erwärmung des Rohres die Pralldüse
10, der über die Blende 11 ein Luftstrom zugeführt wird, schließt. Der Druck an
der Prallplatte pp wirkt auf den Vordruckregler -6 für die Kühllu-ft, - der -so
aufgebaut -ist, daß der Ausgangsdruck PL eine lineare Funktion des Pralldruckes
PL ist (im einfachsten Fall ist pp = PL).
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Das Ausdehnungsrohr 7 wird durch -einen Rahmen gehalten dessen Längsseiten
aus -zwei Metallrohren-12 aus dem- gleichen Material wie das mittlere -Ausdehnungsrohr
7-bestehen und die von Kühlluft durchströmt werden; die ebenso wie die Luft für
die Prall düse vor dem Kühlluftvordruckregler durch die AbzweigeleitungI2s abgezweigt
wird.
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In der Abb. 2 wird als Beispiel gezeigt, wie in einfacher Weise unter
Verwendung eines -einfachen Druckreglers die Wobbezahl eines Gasgemisches 13, das
durch Mischung eines Gases mit hohem Heizwert 14- und einem Gas mit niedrigem -Heizwert
15- (gegebenenfalls Luft) entsteht;- geregelt -werden- kann.
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Das Gasgemisch wird dem Gerät über den Vordruck regler -16-zugeführt.
- Die Kühlluft für das- Gerät wird durch ein einfaches Gebläse 17 erzeugt. Der Steuerdruck
po wird auf einen- hydraulischen Druckregler 18 mit Seilwerteinstellung 19 geleitet,
der überreinrhydraulisches Stellglied 20 eine Drosselklappe 21 in der Zuleitung
für das Gas mit niedrigem -Heizwert verstellt. An der Steuerdruclçleitung sind -Druckmesser
22, 23, die in Wobbezahl geeicht sind, angeschlossen.
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In Abb, 3 ist ein beispielsweiser Aufbau eines Gerätes gezeigt, bei
dem der Ausdehnungskörper in seinem Inneren von einem Kühlluftstrom durchflossen
wird, der durch das Ausdehnungsrohr geregelt wird, während der durch die Flammenabgase
erwärmte äußere Kühlluftstrom konstant bleibt.
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In einem Gehäuse 2 befindet sich der Brenner 1, dem über eine Blende
3 das Gas durch den Druckregler 4 mit konstantem Vordruck zugeführt wird.
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Durch Leitbleche wird durch die Mischung mit den Abgasen erwärmte
Kühlluft an dem Ausdehnungsrohr 7, das die Prallplatte9 betätigt, vorbeigeführt.
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Die Rohre 12, die das Ausdehnungsrohr halten, werden von Kühlluft
durchströmt, die durch die Leitung 12 zugeführt wird. Im Unterschied zu der Ausführung
nach Abb. 1 wird der Vordruckregler 6 nicht von dem Druck an der Prallplatte 9,
10 gesteuert, sondern regelt den Vordruck vor der Kühlluftblende 5 auf einen konstanten
Wert. Der eine Teil, der durch die Vordro,ssel 11 strömenden Kühlluft strömt über
die Abzweigeleitungen 24,25- durch das Ausdehnungsrohr 7, der andere Teil durch
die Pralldüse 10. Der Druck an der Prallplatte wird als Ausgangsgröße des Gerätes
zum Betätigen eines Reglers oder eines Druckmessers als Anzeigegerät benutzt.
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Die Wirkungsweise ist folgendermaßen: Bei einer bestimmten Wobbezahl
stellt sich ein bestimmter
Druck an der Prallplatte ein. Mit einer
Erhöhung der Wobbezahl steigt auch die Flammenleistung an, die durch die Blende
5 in konstanter Menge zuströmende Kühlluft wird stärker erwärmt, dem Ausdehnungsrohr
7 wird von- außen mehr Wärme zugeführt, es dehnt sich aus und schließt die Prallplatte.
Der Druck an der Prallplatte steigt an, es strömt mehr Kühlluft durch das Aus dehnungs
rohr, dieses wird stärker von innen gekühlt. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein,
wenn das Ausdehnungsrohr wieder dieselbe mittlere Temperatur erreicht hat.
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Wenn der äußere Kühlluftstrom thermisch durch den Brenner angesaugt
wird, entfällt der Vordruckregler 6 und die Kühlluftblende 5. Die Kühlluft für die
Brennerflamme wird durch Öffnungen im unteren Teil des Gehäuses 2 durch Schornsteinwirkung
angesaugt.
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Mit dem Gerät läßt sich der untere Heizwert eines Gases messen, wenn
man nicht, wie beim Wobbezahlmesser, die Gasmenge dichteabhängig durch eine Blende
mit konstantem Vordruck dosiert, sondern indem man die Gasmenge dichteunabhängig
konstant hält. Das kann z. B. durch Regelung der Gasmenge unter Benutzung einer
Gasuhr erfolgen oder auch mit einer Blende, der man das Gas mit einem Vordruck,
der der Gasdichte proportional ist, zuführt, wie man ihn z. B. mit einem geeigneten
Gebläse erzeugen kann.
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PATENTANSPROCEWE 1. Zur Anzeige, Registrierung und vorzugsweise als
Fühler für Regler dienende Einrichtung zur Messung der Wobbezahl von Brenngasen,
bei denen als Kühlmittel Luft verwendet wird, die durch Beimengung der Abgase eines
über eine Blende mit konstantem Vordruck gasgespeisten Brenners erwärmt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Ausdehnungskörper die Durchflußmenge des über eine Blende
zugeführten Kühlluftstromes durch Beeinflussung seines Vordruckes vor der Luftblende
beispielsweise mittels einer Prallplatte und eines durch den Prallplattendruck gesteuerten
Druckreglers derart regelt, daß die mit dem Aus-
dehnungskörper gemessene Temperaturerhöhung
der erwärmten Kühlluft konstant gehalten wird, wobei der Vordruck der Kühlluft als
Funktion der Wobbezahl von einem an sich bekannten, in Wobbezahleinheiten geeichten
Druckmesser gemessen oder zur Beeinflussung eines Registriergerätes, beispielsweise
einer schreibenden Ringwaage, oder als Impuls für einen Regler benutzt wird, und
daß zwecks Erzielung einer guten Durchmischung von Flammenabgasen und Kühlluft eine
starke Wirbelung bewirkende und eine Erwärmung des Ausdehnungskörpers durch Strahlung
verhindernde Leitbleche vorgesehen sind.