DE1136849B

DE1136849B - Verfahren zur selbsttaetigen Bestimmung des Heizwertes von Gasen und Vorrichtung zurDurchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1136849B
Application number: DER29096A
Authority: DE
Inventors: Gustav Niedergesaess
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1960-11-16
Filing date: 1960-11-16
Publication date: 1962-09-20
Also published as: US3175397A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

R29096IXb/42i

ANMELDETAG: 16. NOVEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 20. SEPTEMBER 1962

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen, automatischen Bestimmung des Heizwertes oder der Verbrennungswärme von brennbaren Gasen unter Verwendung gasförmiger oder flüssiger Wärmeträger, bei dem das Mengenverhältnis von Brenngas zu Wärmeträger konstant gehalten wird, unter Verwendung von Meßblenden, Druckreglern und Zentrifugalgebläsen. Unter Heizwert wird hier der untere Heizwert verstanden, der obere Heizwert wird als Verbrennungswärme bezeichnet.

Die bisher bekannten automatischen Kalorimeter zur Heizwertmessung mit Luft als Wärmeträger weisen hinsichtlich der genauen Konstanthaltung des Volumenverhältnisses von Gas zu Luft und der Berücksichtigung des Zustandes dieser beiden Stoffe noch Mängel auf, die eine exakte Messung verhindern. Es gibt Geräte, bei denen Gas und Luft mit unbestimmtem Feuchtezustand zugeführt werden, und andere, bei denen man zwar das Gas und die Luft mit Wasserdampf sättigt, ohne jedoch den mit der Temperatur veränderlichen Wasserdampfgehalt entsprechend zu berücksichtigen, der bei dem Luft-Wasserdampf-Gemisch die spezifische Wärme ändert.

Ein bekanntes amerikanisches Kalorimeter, welches zwar nicht den Heizwert, sondern die Verbrennungswärme mißt, arbeitet mit mechanisch angetriebenen Volumenmessern zur Konstanthaltung des Verhältnisses Gas zu Luft und befeuchtet beide Stoffe mit Wasserdampf bis zur Sättigung. Es besitzt keine Einrichtung zur Berücksichtigung der bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlichen spezifischen Wärme des Wasserdampf-Luft-Gemisches und kann deshalb nur bei einer bestimmten Bezugstemperatur die Verbrennungswärme pro Nm³ Gas genau messen. Abweichungen von dieser Bezugstemperatur müssen zwangläufig Meßfehler verursachen, wenn nicht von Hand eine Korrektur vorgenommen wird.

Bei einem anderen, in Deutschland hergestellten Kalorimeter erfolgt weder eine Befeuchtung von Gas und Luft bis zur Sättigung noch eine Umwertung des Heizwertes auf einen Normalzustand. Das Gerät besitzt eine Einrichtung, um Dichteschwankungen des Gases durch dessen damit veränderlichen Auftrieb in einem Standrohr in Verbindung mit einer Drosseleinrichtung zu kompensieren. Die durch dieses Dichtekompensationsprinzip bedingten niedrigen Gasdrücke vor der Hauptdüse zum Brenner und der Kompensationsdüse zum Standrohr werden sehr leicht durch Druckschwankungen im Raum oder durch Zugluft beeinflußt, wodurch Meßwertfälschungen möglich sind.

Verfahren zur selbsttätigen Bestimmung ,des Heizwertes von Gasen

und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Ruhrgas Aktiengesellschaft, Essen, Herwarthstr. 60

Gustav Niedergesäss, Essen, ist als Erfinder genannt worden

Es ist außerdem ein Verfahren bekannt, welches die zuletzt genannten Mängel vermeiden soll. Dieses berücksichtigt jedoch auch nicht den Einfluß, den der bei wechselnden Temperaturen unterschiedliche Wasserdampfgehalt der Luft auf den Meßwert ausübt. Dies ist jedoch für eine exakte Heizwertmessung unerläßlich. Darüber hinaus übt bei diesem Verfahren wegen der vorgesehenen höheren Temperaturdifferenzen zwischen Lufteintritt und Abgas-Luft-Gemischaustritt und der damit verbundenen geringeren Luftbeimischung der durch die Verbrennung von im Brenngas enthaltenen Wasserstoff entstehende Wasserdampf einen nicht vernachlässigbaren Einfluß auf den Meßwert aus.

Es ist auch ein Kalorimeter bekannt, das mit Wasser als Wärmeträger bzw. Kühlmittel arbeitet, bei dem das Verhältnis der pro Zeiteinheit durch das Kalorimeter strömenden Gas- und Kühlmittelmengen dadurch konstant gehalten wird, daß Gas und Kühlmittel in abgemessenen Mengen durch Fördervorrichtungen, die mechanisch starr miteinander gekuppelt sind, dem Kalorimeter unmittelbar zugeführt werden.

Dieses bekannte Kalorimeter hat den Nachteil, daß insbesondere bei Verwendung von Luft als Wärmeträger wegen des notwendigen sehr großen Verhältnisses von Luft- zu Gasmengen (z. B. 800 bis 1000 : 1) nur relativ kleine Gasmengen im Kalorimeter durchgesetzt werden können, wenn die Dimensionen der Fördervorrichtung für Luft, die

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im allgemeinen gleichzeitig als Mengenmesser wirkt, nicht übermäßig groß sein sollen. Beim Durchsatz kleiner Gasmengen tritt aber wegen des als Speicher wirkenden Volumens der Zufuhrungsleitungen zwischen der Gasfördervorrichtung und dem Kalorimeter bzw. den Temperaturmeßstellen des Kalorimeters eine merkliche Verzögerung der Anzeige auf, die unerwünscht ist. Außerdem ändert sich mit der Wichte des Brenngases der Gasdruck vor der

Mit h == ρ = c\ ■ γ ergibt sich
F=C₂

5 d. h. ein konstanter Durchfluß, solange die Gebläsekonstante C₁ konstant bleibt. Diese kann sich jedoch nur durch Drehzahlschwankungen ändern, wobei die Gebläsekonstanten beider Gebläse im gleichen Verhältnis variieren wurden, weil beide mit gleichen Brennerdüse. Diese Druckänderung überträgt sich io oder proportionalen Drehzahlen laufen. Dadurch auf die Förder- und Meßeinrichtung und beein- wären zwar absolute Durchflußänderungen möglich, trächtigt die Meßgenauigkeit. aber das Durchflußverhältnis bliebe in jedem Falle

Die nachstehend beschriebene Erfindung geht konstant.

neue Wege, sowohl in Hinsicht auf die genaue Dieses Verfahren der dynamischen Wichtekompen-

Konstanthaltung des Volumenverhältnisses Gas zu 15 sation besitzt gegenüber dem statischen Verfahren Luft als auch auf die Berücksichtigung des in Gas mit Auftriebsrohr den Vorteil, mit wesentlich höher und Luft bei Sättigung enthaltenen Wasserdampfes. über dem Atmosphärendruck liegenden Drücken Erfindungsgemäß wird je ein Teilstrom der unter arbeiten zu können, wodurch Raumdruckschwan-Druck stehenden gasförmigen Stoffe nach Ent- kungen einen weit geringeren Einfluß auf die Meßspannung auf Atmosphärendruck oder auf einen 20 genauigkeit ausüben und der Gasstrahl an der Brenndarüberliegenden, konstanten Druck in an sich be- düse in der Lage ist, sich einen Teil der Verbrennungskammer Weise in einem Zentrifugalgebläse, wie es
z. B. für dynamische Wichteverhältnismessung bekannt ist, auf einen seiner Wichte proportionalen
Überdruck komprimiert und als Steuerimpuls mit 25
diesem Ausgangsdruck auf den der Durchflußblende

oder -düse vorgeschalteten Druckregler des mit Wasserdampf gesättigten Hauptstromes übertragen. Die Verdichtung erfolgt nach der Formel

P = ^ci " γ

(D

wobei

ρ den Druck in mm Wassersäule (= kg/m²), γ das spezifische Gewicht (Wichte) in kg/m³

und
c\ eine Gebläsekonstante

bedeutet. Die Ausgangsdrücke der Gebläse, als

luft unter Vormischung selbst anzusaugen, wodurch eine bessere Verbrennung bei Gasen mit hohen Heizwerten erreicht wird.

Bei den Druckreglern sorgen Einrichtungen, wie z.B. Gegengewichte oder Federn, für die Kompensation der vom Eigengewicht der Meß- und Steuerteile der Regler ausgeübten Einflüsse auf den Regeldruck. Dieses Verfahren läßt sich, außer für die Heizwertmessung, ebenso für die Messung der Verbrennungswärme anwenden, wenn man Abgas und Kühlluft getrennt hält und das Abgas auf die Umgebungstemperatur zurückkühlt.
Die wichteabhängige Steuerung des Gasdruckes durch ein Zentrifugalgebläse kann auch bei kontinuierlich messenden und mit Wasser als Wärmeträger arbeitenden Kalorimetern vorteilhaft angewendet werden, wenn ein mit konstanter Drehzahl laufendes Zentrifugalgebläse zur Steuerung des dem

Steuerdrücke auf die Meßeinrichtungen entspre- 40 Brenner vorgeschalteten Druckreglers verwendet chender Druckregler gegeben, bewirken bei diesen wird, um selbsttätig den Gasdurchfluß an der

Brennerdüse konstant zu halten. Gaswichteschwankungen werden dadurch wirkungslos und beeinträchtigen nicht mehr die Meßgenauigkeit.
Im Gegensatz zu einer der bekannten Vorrichtungen besteht also beim Gegenstand der Erfindung keine starr mechanische Kuppelung zwischen den Dosiereinrichtungen für Brenngas und Wärmeträger, sondern lediglich eine pneumatische Kuppelung zwischen den Wichtemeßeinrichtungen und den jeweils zugehörigen Dosiereinrichtungen für Gas bzw. Wärmeträger, wobei die letzteren untereinander gar nicht gekuppelt sind. Eine mechanische Kuppelung besteht beim Gegenstand der Erfindung lediglich zwischen

Regeldrücke in der gleichen oder proportionalen Höhe, die als Vordrücke vor Meßblenden oder -düsen ein stets gleiches Durchflußverhältnis von Gas und Luft aufrechterhalten.

Der Durchfluß durch eine Düse oder Blende beträgt bekanntlich

V=F-

(2)

In dieser Formel bedeutet

V = Durchflußmenge in m³/sec,

F = Öffnungsquerschnitt der Düse oder Blende ^ _den Wichtemeßeinrichtungen.

S ^mu'j3 η λ.λ ,λ- ·ι v UT Die durch den vorgegebenen Druck und die wahl-

α = Durchflußzahl (dimensionslose Kennzahl, _{weige anwendbaren} ⁸4_ßbi_{enden oder} Meßdüsen

fn 1 R^e*f ng ™.d die Einschnürung des _{dosierteQ Gas}. _{d Luftströme fließen in bek}annter

_ [Gas-] Strahls berücksichtigt), Weise weiter zum Wärmeaustauscher, wo ein ge-

^ε ~ de? DrTcSles an der Drosselsteile auf ^{5o ringer Teil der Luft}> ^als Verbrennungsluft abgezweigt,

des üruckgetaües an der Drosselstelle aut _d Einflammenbrenner als Primär- und Sekundärden Durchfluß berücksichtigt),

h == Wirkdruck in mm Wassersäule (= kg/m²).

Wenn die konstanten Werte zusammengefaßt mit bezeichnet werden:

V =

(3)

luft zuströmt. Der weitaus größte Teil der Luft vermischt sich am Brennkammeraustritt mit den heißen Abgasen und erfährt eine von der Höhe des Heizwertes abhängige Erwärmung. Ein direkt über dem Brennkammeraustritt angeordneter Mischer mit radialen Umlenkschaufeln beschleunigt die gleichmäßige Durchmischung der Abgase mit der Kühlluft.

Die Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritt und Abgas-Luft-Gemischaustritt wird durch entsprechend geschaltete Thermoelemente erfaßt und in diesen eine der Temperaturdifferenz proportionale Thermospannung hervorgerufen, die für irgendeine beliebig festzulegende Bezugstemperatur als Maß für den Heizwert pro Nm³ Gas gilt.
Der Heizwert pro Nm³ kann berechnet werden nach

-Gd- c_pD) kcal/Nm³. (5)

10

L-At {c_vl + Ic-

10

Hierin bedeutet

Huo — Heizwert in kcal/Nm³ Gas,
L = Luftdurchfluß in Nm³, bezogen auf 1 Nm³ Gas (trocken),

At ~ Temperaturdifferenz in ° C zwischen Lufteintritt und Abgas-Luft-Gemischaustritt,

CpL = spezifische Wärme der Luft in kcal/Nm³ ⁰C,

CpD = spezifische Wärme des Wasserdampfes in

kcal/kg ° C,

Gd = Dampfgewicht in kg/m³ Luft bei dem

jeweiligen Zustand und Sättigung,
k = Faktor zur Umrechnung des Dampfgewichtes von kg/m³ feuchter in kg/Nm³ trockener Luft.

Weil jedoch, wie aus den Werten k und Gd in Formel (5) hervorgeht, die spezifische Wärme der mit Wasserdampf gesättigten Luft sich mit der Temperatur und in geringem Maße ebenfalls mit dem Druck ändert und ein Kalorimeter auch bei unterschiedlichen Verhältnissen genau messen soll, ist es vorteilhaft, wenn ein auf Temperaturänderungen und Änderungen des barometrischen Druckes reagierendes Zusatzgerät (Umwerter) die Einflüsse auf die Messung beseitigt.

Zusatzgeräte, die die Meßwerte in der beschriebenen Weise umformen, sind insbesondere bei mit Wasser als Wärmeträger arbeitenden (sogenannten »nassen«) Kalorimetern bekannt. Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung, die insbesondere in Verbindung mit trockenen Kalorimetern anwendbar ist, ist Gegenstand einer gesonderten Patentanmeldung.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Das Gebläse 1 saugt Luft durch den Befeuchter 2, wo sich diese mit Wasserdampf sättigt, und fördert sie mit dem notwendigen Druck zum Druckregler 3, der vom Gebläse 4 derart gesteuert wird, daß der Druck der durch den Regler 3 strömenden Luft immer dem Ausgangsdruck des Gebläses 4 gleich oder proportional ist. Ein Teilstrom der Luft strömt über die Leitung 5, auf Atmosphärendruck entspannt, zum Eingang des Gebläses 4 und wird hier auf einen der Luftwichte proportionalen und über dem Atmosphärendruck liegenden Druck verdichtet. Dieser Druck wird auf den Regler 3 übertragen. Parallel dazu fließt das Gas mit dem erforderlichen Druck durch den Befeuchter 6, sättigt sich hier mit Wasserdampf und strömt weiter zum Druckregler 7, der, genau wie beim Luftregler, durch den Ausgangsdruck des mit dem Gebläse 4 gekuppelten Gebläses 8 gesteuert wird und den Gasdruck auf die gleiche oder proportionale Höhe regelt. Das Gebläse 8 erhält über die Leitung 9 und den auf Atmosphärendruck regelnden Regler 10 einen abgezweigten Teilstrom des Gases und verdichtet das Gas ebenfalls auf einen seiner Wichte proportionalen und über dem Atmosphärendruck liegenden Druck. Die Luft fließt mit dem so geregelten Druck zur Meßblende 11 und wird hier dosiert und ebenso das Gas an der Brennerdüse 12. Im Wärmeaustauscher 13 fließt ein Bruchteil der Luft durch die Öffnungen 14 als Verbrennungsluft zum Brenner, während der weitaus größte Teil sich am Ausgang der Brennkammer 15 mit den heißen Abgasen vermischt. Die Durchmischung beschleunigt und vervollständigt der mit radial angeordneten Umlenkschaufeln versehene Mischer 16, der dem Abgas-Luft-Gemisch dazu eine Drallbewegung aufzwingt. Danach strömt das erwärmte und homogene Abgas-Luft-Gemisch an den Thermoelementlötstellen 17 vorbei, deren Vergleichslötstellen im eintretenden Luftstrom liegen, so daß in den Thermoelementen eine der zwischen den Lötstellen 17 und 18 vorhandenen Temperaturdifferenz entsprechende Thermospannung entsteht. Diese wertet der Umwerter 19 in eine dem Heizwert pro Nm³ Gas proportionale Spannung um, die vom elektronischen Kompensationsverstärker 20 in stromloser Messung in einen proportionalen Meßstrom umgewandelt wird, der über eine Verbindungsleitung zu den in Heizwert pro Nm³ Gas geeichten elektrischen Meßgeräten oder Reglern fließt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist in gleicher Weise anwendbar für die Heizwertbestimmung trockener, brennbarer Gase, wenn die zur Verbrennung und gegebenenfalls als Wärmeträger verwendete Luft ebenfalls trocken ist. Das Verfahren arbeitet dann unter Weglassung der beschriebenen Sättiger für Gas und Luft in der beschriebenen Weise unter Kompensation der Wichteschwankungen. In diesem Fall entspricht die von den Thermoelementen gemessene Temperaturdifferenz unmittelbar dem Heizwert des Gases, und die Umwertung zur Berücksichtigung des in Abhängigkeit von Druck und Temperatur schwankenden Wasserdampfgehaltes entfällt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur kontinuierlichen, automatischen Bestimmung des Heizwertes oder der Verbrennungswärme von brennbaren Gasen unter Verwendung gasförmiger oder flüssiger, wärmeaufnehmender Stoffe (Wärmeträger), bei dem das Mengenverhältnis von Brenngas zu Wärmeträger konstant gehalten wird, unter Verwendung von Meßblenden, Druckreglern und Zentrifugalgebläsen, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Teilstrom der unter Druck stehenden gasförmigen Stoffe nach Entspannung auf Atmosphärendruck oder auf einen konstant darüberliegenden Wert in an sich bekannter Weise in einem Zentrifugalgebläse auf einen seiner Wichte proportionalen Überdruck komprimiert wird und daß dieser Ausgangsdruck als Steuerimpuls auf den der Durchflußmeßblende oder -düse vorgeschalteten Druckregler des mit Wasserdampf gesättigten Hauptstromes übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Luft als Wärmeträger zwei mit gleicher oder verhältnisgleicher Drehzahl arbeitende Zentrifugalgebläse verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Flüssig-

keit als Wärmeträger ein Zentrifugalgebläse mit konstanter Drehzahl benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Luft als Wärmeträger die Durchflußmenge der Luft durch einen vom Ausgangsdruck des Zentrifugalgebläses abhängigen Impuls auf den Druckregler vor der Meßblende oder Meßdüse gesteuert wird, während die Gesamtmenge des Brenngases durch das Zentrifugalgebläse ge- ίο leitet wird und der Gasdruck vor der Meßblende ohne dazwischengeschalteten Druckregler direkt von diesem Gebläse bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Luft und Brenngas vor der Abzweigung jedes Gasteilstromes zu dem Zentrifugalgebläse mit Wasserdampf gesättigt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, bestehend aus Zuführungsleitungen für Brenngas und Luft, Druckreglern und Meßblenden und/oder -düsen in den Leitungen, mit den Brennstoff- und Luftleitungen verbundene Zentrifugalgebläse, einem Kalorimetergefäß und thermoelektrischen Meßinstrumenten (Thermoelementen) zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des zugeführten und des nach Aufnahme der bei der Gasverbrennung entstehenden Wärme abströmenden Wärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, daß von den unter Druck stehenden Zuführungsleitungen für Brenngas und Luft je eine Abzweigung geringen Querschnittes als Verbi'ndungsleitung zu dem zugeordneten Zentrifugalgebläse geführt wird, in der eine Vorrichtung zur Entspannung des betreffenden Gases auf Atmosphärendruck oder konstant darüberliegenden Druck angeordnet ist, daß Vorrichtungen zur Regelung der Zentrifugalgebläse auf konstante und/oder verhältnisgleiche Drehzahl, Übertragungsorgane für die Regelung der hinter der Abzweigleitung in der Hauptgasleitung angeordneten Druckregler auf den Ausgangsdruck der Zentrifugalgebläse und Meßblenden oder -düsen in den Gasleitungen hinter den Druckreglern vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bestehend aus einem zylindrischen Kalorimetergefäß, in dessen zentralem Teil der Brenner angeordnet ist, und konzentrisch angeordneten Umlenkblechen zur Führung der als Verbrennungsmittel und Wärmeträger zugeführten Kühlluft, dadurch gekennzeichnet, daß Abgas und Kühlluft durch einen direkt über der Brennkammer angebrachten Mischer mit radial angeordneten Umlenkschaufeln intensiv gemischt werden, bevor sie die Temperaturmeßstelle erreichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen für Brenngas und Luft vor den Abzweigleitungen Vorrichtungen zur Sättigung dieser Gase mit Wasserdampf angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 174 753, 390 004, 305, 900 279;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 022 391;

»Gaswärme«, Bd. 5 (1956), S. 100 bis 110;

»Das Gas- und Wasserfach« (GWF), Bd. 97 (1956), S. 461 bis 465.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen