DE19523599A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Massenstromverlaufs mindestens einer Emissionskomponente eines Verbrennungsabgases - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Massenstromverlaufs mindestens einer Emissionskomponente eines VerbrennungsabgasesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Erfassen des Massenstromverlaufs mindestens einer
Emissionskomponente eines durch ein Abgasrohr strömenden
Verbrennungsabgases bei instationärer Emission unter
wechselnden Betriebsbedingungen.
Emissionsmessungen bei stationärer Emission, wie sie un
ter konstanten Betriebsbedingungen auftritt, sind in der
Praxis erprobt. Bei instationärer Emission unter wechselnden
Betriebsbedingungen sind derartige Messungen bisher ledig
lich labormäßig möglich. Sie erfordern einen hohen meßtech
nischen Aufwand, der in der Praxis schwer realisierbar ist.
Trotz des hohen Aufwandes lassen die Meßergebnisse zu wün
schen übrig, insbesondere wenn es darum geht, auf rasche
Änderungen des Abgasvolumenstroms und/oder der Abgaszusam
mensetzung zu reagieren. Gerade wechselnde Betriebsbedingun
gen sind für die Schadstoffemission besonders kritisch.
Verwiesen sei beispielsweise auf die Anfahrperiode von
Verbrennungsanlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in praxisge
rechter Weise sehr genaue Emissionsmessungen bei wechselnden
Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Er
findung dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Strömungsgeschwindigkeitsverlauf und der Tem peraturverlauf des Verbrennungsabgases im Abgasrohr gemessen und gespeichert werden sowie hieraus der Volumenstromverlauf des Verbrennungsabgases ermittelt wird;
- - daß ein Teilstrom des Verbrennungsabgases als Proben gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit in ein Speicherrohr eingeleitet wird, die dem gemessenen Strömungsgeschwindig keitsverlauf im Abgasrohr entspricht;
- - daß das Probengas im Speicherrohr gekühlt wird;
- - daß der Druck im Speicherrohr auf den Atmosphärendruck ausgeglichen wird;
- - daß das Probengas mit definierter, konstanter Strö mungsgeschwindigkeit mindestens einem Analysengerät für die Emissionskomponente zugeführt und durch das Analysengerät hindurchgesaugt wird, wobei das Konzentrationsprofil der Emissionskomponente erfaßt wird; und
- - daß aus dem Konzentrationsprofil der Emissionskompo nente unter Einbeziehung des Volumenstromverlaufs und des Temperaturverlaufs des Verbrennungsabgases während der Probenentnahme der Massenstromverlauf der Emissionskompo nente ermittelt wird.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Proben
gasentnahme und die Analyse zeitlich voneinander abzukop
peln, und zwar ohne Störung des Konzentrationsprofils des
Probengases.
Die Probengasentnahme erfolgt instationär und berück
sichtigt die auftretenden Volumenstrom-Änderungen des Ver
brennungsabgases. Die eigentliche Analyse wird drucklos
durchgeführt, wobei das Probengas mit konstanter, defi
nierter Strömungsgeschwindigkeit, also stationär durch das
Analysengerät hindurchgesaugt wird. Die Anordnung einer
Meßgaspumpe hinter dem Analysengerät stellt in Verbindung
mit einem Verzicht auf etwaige Störelemente (Filter oder
dergleichen) vor dem Analysengerät sicher, daß das Konzen
trationsprofil des Probengases erhalten bleibt. Hierzu trägt
auch bei, daß die Verweilzeit des Probengases im Speicher
rohr sehr gering ist, da lediglich der Druckausgleich durch
geführt werden muß. Auch läßt sich das Speicherrohr in
seinem Durchmesser so auslegen, daß eine Durchmischung des
Probengases in Rohrlängsrichtung minimiert bzw. ausgeschlos
sen wird. Die Strömungsgeschwindigkeit im Analysengerät und
der Volumenstrom durch das Analysengerät werden so opti
miert, daß das Analysengerät exakte Signale mit ausreichen
der Auflösung an eine Auswerteeinheit (Rechner) liefern
kann. Als Analysengerät lassen sich Geräte einsetzen, die
für stationäre Emission, also für konstante Zuströmung
geeignet und erprobt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für atmosphä
rische oder gebläseunterstützte haushaltliche und
industrielle Geräte, für Motoren und Turbinen sowie für den
Prüfstand und für Feldtests. Dabei ist der wirtschaftliche
Aufwand gering.
Zur Erzielung eines repräsentativen Probengases wird
vorgeschlagen, die Probengasentnahme über dem Querschnitt
des Abgasrohres mit gleicher Entnahmegeschwindigkeit durch
zuführen.
In der Praxis wird man nicht nur eine Emissionskomponen
te erfassen, sondern gleichzeitig deren mehrere. Von In
teresse sind vor allem CO, CO₂, CxHy und NOx. Sofern zusätz
liche Aussagen über den Verbrennungsablauf getroffen werden
sollen, kann außerdem O₂ gemessen werden.
Bei Verwendung mehrerer Analysengeräte für mehrere Emis
sionskomponenten wird das Probengas vorzugsweise mit lamina
rer Strömung auf die Analysengeräte verteilt. Dadurch wird
sichergestellt, daß beim Aufteilungsvorgang keine Verfäl
schung des Konzentrationsprofils des Probengases auftritt.
Ferner ist es vorteilhaft, das Probengas zeitgleich auf
die Analysengeräte zu verteilen, um bei der Auswertung
sämtliche Analysewerte gleichzeitig auf den Volumenstromver
lauf des Verbrennungsabgases während der Probenentnahme
rückbeziehen zu können.
Versuche haben gezeigt, daß beste Ergebnisse dann er
zielt werden, wenn die Füllzeit des Speicherrohres ca. 10
bis 15 Sekunden beträgt, wobei die anschließende Analysen
dauer bei etwa dem 10fachen Wert liegt. Auf diese Weise läßt
sich ein repräsentativer Zeitraum (z. B. die Anfahrphase)
erfassen und ohne Störung des Konzentrationsprofils des
Probengases, unter optimaler Nutzung der Analysengeräte,
auswerten.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Vorrichtung
nach der Erfindung gekennzeichnet durch
- - im Abgasrohr angeordnete Strömungsgeschwindigkeits- und Temperaturmeßgeräte, die an einen Rechner angeschlossen sind;
- - eine mit dem Abgasrohr verbundene Probengas-Entnahme sonde;
- - ein mit der Entnahmesonde verbundenes Proben gas-Speicherrohr mit integrierter Meßgaskühlung;
- - eine Einrichtung zum Steuern der Strömungsgeschwindig keit im Speicherrohr während der Probengas-Entnahme in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasrohr;
- - eine Einrichtung zum Ausgleichen des Drucks im Speicherrohr auf den Atmosphärendruck;
- - mindestens ein Analysengerät für die Emissionskompo nente, das an den Rechner angeschlossen ist; und
- - eine Einrichtung zum Hindurchsaugen des Probengases durch das Analysengerät mit konstanter, definierter Geschwindigkeit.
Mit dieser Vorrichtung lassen sich die vorstehend disku
tierten Vorteile erzielen, wobei die Vorrichtung nicht nur
wirtschaftlich günstig, sondern außerdem auch gut zu handha
ben ist.
Ferner wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschla
gen, daß die Probengas-Entnahmesonde sich über den Quer
schnitt des Abgasrohres erstreckt und eine gleiche Entnahme
geschwindigkeit an allen Entnahmestellen bewirkt.
Bei Verwendung mehrerer Analysengeräte für verschiedene
Emissionskomponenten ist vorzugsweise ein Probengas-Vertei
ler mit einer Mehrzahl von Kanälen vorgesehen, die unter
definiertem Winkel an einer Verteilstelle zusammenlaufen.
Der definierte Winkel ist so gewählt, daß sämtliche zu den
Analysengeräten führenden Kanäle mit gleichem
Konzentrationsprofil beaufschlagt werden. Das in den Ver
teiler einströmende Probengas wird in Form von laminaren
Stromfäden gleichen Konzentrationsprofils auf die Analysen
geräte verteilt.
Vorteilhafterweise sind die Analysengeräte über Leitun
gen gleicher Länge mit dem Probengas-Verteiler verbunden, so
daß sie also zeitgleiche Meßsignale an den Rechner liefern
können.
Eine optimale Wirksamkeit der Analysengeräte bedingt
eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit und einen bestimmten
Volumenstrom innerhalb der Analysengeräte. Ferner spielt im
Hinblick auf die Aufrechterhaltung des Konzentrationsver
laufs im Probengas die Aufenthaltsdauer im Speicherrohr eine
Rolle. Aus diesen Werten resultieren die Kapazität des
Speicherrohres und die Länge des erfaßbaren Zeitabschnitts.
Auch die konstruktive Gestaltung des Speicherrohres ist von
Bedeutung. Es wurde gefunden, daß dessen Durchmesser vor
zugsweise ca. 8 mm beträgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemä
ßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Proben
gas-Verteilers.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Abgasrohr 1 vorgese
hen, das von einem Verbrennungsabgas durchströmt wird.
Letzteres stammt aus einer Verbrennungsvorrichtung, die
unter wechselnden Betriebsbedingungen arbeitet. Dement
sprechend ändern sich sowohl der Volumenstrom des Verbren
nungsabgases als auch dessen Zusammensetzung.
Im Abgasrohr 1 arbeiten ein Strömungsgeschwindigkeits
meßgerät 2 und ein Temperaturmeßgerät 2′, die mit einem
Rechner 3 gekoppelt sind. Der Rechner 3 speichert den Strö
mungsgeschwindigkeitsverlauf zur Ermittlung des Volumen
stromverlaufs.
Ferner ist im Abgasrohr 1 eine Probengas-Entnahmesonde 4
vorgesehen. Sie erstreckt sich über den Querschnitt des
Abgasrohres 1 und weist eine dreieckförmige Entnahmeöffnung
auf. Diese ist so dimensioniert, daß die Entnahme des Pro
bengases an jeder Stelle mit gleicher Geschwindigkeit
durchgeführt wird.
Die Entnahmesonde 4 ist mit einem Probengas-Speicherrohr
5 gekoppelt, das eine integrierte Meßgaskühlung aufweist. In
dieses Speicherrohr 5 wird das Probengas durch die Entnahme
sonde 4 hindurch eingesaugt. Hierzu dient eine Meßgaspumpe
6, die unter Zwischenschaltung eines Geschwindig
keitsmeßgeräts 7 an das Speicherrohr 5 angeschlossen ist.
Der Rechner 3 liefert die momentane Strömungsgeschwindigkeit
im Abgasrohr 1, und die Meßgaspumpe 6 wird so gesteuert, daß
das Probengas mit derselben Geschwindigkeit, gemessen vom
Geschwindigkeitsmeßgerät 7, in das Speicherrohr 5 eintritt.
Nach vorgegebener Zeitspanne enthält das Speicherrohr 5 ein
definiertes Volumen an Probengas.
Sodann wird ein vor dem Geschwindigkeitsmeßgeräts 7 an
geordnetes Ventil 8 geschlossen, und der Druck im Speicher
rohr 5 wird auf den Atmosphärendruck ausgeglichen und über
einen Drucksensor 9 überprüft.
Direkt im Anschluß hieran wird das Probengas einer Mehr
zahl von Analysengeräten 10 für die einzelnen Emissionskom
ponenten zugeführt. Hierzu wird ein nach dem Speicherrohr 5
angeordnetes und bis dahin geschlossenes Ventil 11 geöffnet.
Gleichzeitig wird ein Ventil 12 geschlossen, das die
Analysengeräte bis dahin mit Atmosphärenluft beschickt hat.
Jedem der Analysengeräte 10 ist eine Meßgaspumpe 13 nachge
schaltet, so daß das Probengas durch die Analysengeräte 10
hindurchgesaugt wird.
Das Speicherrohr 5 hat im Falle des Ausführungsbeispiels
einen Durchmesser von 8 mm und ist in seiner Länge so aus
gewählt, daß es ohne Beeinträchtigung des Konzentrations
profils des Probengases ein ausreichendes Volumen an Proben
gas aufnehmen kann, um die Analysengeräte 10 mit definierter
Strömungsgeschwindigkeit und definiertem Volumenstrom zu
beschicken. Die Füllzeit des Speicherrohres 5 ist auf etwa
10 bis 15 Sekunden eingestellt, während der Durchlauf durch
die Analysengeräte 10 etwa 100 Sekunden dauert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Entnahme
des Probengases zeitgleich mit dem instationären Vorgang.
Die Analyse ist zeitlich hiervon abgekoppelt. Die Analysen
geräte 10 können also stationär, d. h. mit konstanter
Geschwindigkeit und konstantem Volumenstrom beaufschlagt
werden.
Die Analysengeräte 10 liefern die ermittelten Konzentra
tionsprofile an den Rechner 3. Dieser verknüpft die Konzen
trationsprofile mit dem während der Entnahme des Probengases
ermittelten Volumenstromverlauf und Temperaturverlauf zum
Massenstromverlauf der Emissionskomponenten. Es ergibt sich
somit ein sehr exaktes Bild über den zeitlichen Verlauf der
instationären Emission.
Den Analysengeräten 10 ist ein Probengas-Verteiler 14
(Fig. 2) vorgeschaltet, der ohne Beeinträchtigung des Kon
zentrationsprofils des Probengases letzteres auf die einzel
nen Analysengeräte 10 verteilt. Der Verteiler 14 weist eine
Mehrzahl von Kanälen 15 auf, die unter definiertem Winkel an
einer Verteilstelle zusammenlaufen und den Strom des Proben
gases in laminare Stromfäden aufteilen.
Jedes Analysengerät 10 ist über eine Leitung 16 mit dem
Verteiler 14 verbunden, wobei die Anordnung so getroffen
ist, daß alle Leitungen 16 von gleicher Länge sind. Sämt
liche Analysengeräte 10 liefern also ihre Meßwerte praktisch
zeitgleich an den Rechner 3.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög
lichkeiten gegeben. So kann die Vorrichtung durch weitere
Analysengeräte ergänzt oder aber auch auf weniger Analysen
geräte beschränkt werden. Wird nur ein einziges Analysenge
rät eingesetzt, so kann der Verteiler 14 entfallen. Ferner
kann das Speicherrohr anders dimensioniert sein. Wesentlich
ist, daß einerseits das Konzentrationsprofil des Probengases
durch die Speicherung nicht verfälscht wird und daß anderer
seits die Analysengeräte mit optimierter konstanter und
definierter Durchströmung arbeiten können. An das Erfassen
der Massenstromverläufe der Emissionskomponenten kann sich
ein Integrationsschritt anschließen, der dann die Gesamt
masse jeder Emissionskomponente für ein bestimmtes Zeitin
tervall angibt.
Claims (11)
1. Verfahren zum Erfassen des Massenstromverlaufs min
destens einer Emissionskomponente eines durch ein Abgasrohr
strömenden Verbrennungsabgases bei instationärer Emission
unter wechselnden Betriebsbedingungen
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Strömungsgeschwindigkeitsverlauf und der Tem peraturverlauf des Verbrennungsabgases im Abgasrohr gemessen und gespeichert werden sowie hieraus der Volumenstromverlauf des Verbrennungsabgases ermittelt wird;
- - daß ein Teilstrom des Verbrennungsabgases als Proben gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit in ein Speicherrohr eingeleitet wird, die dem gemessenen Strömungsgeschwindig keitsverlauf im Abgasrohr entspricht;
- - daß das Probengas im Speicherrohr gekühlt wird;
- - daß der Druck im Speicherrohr auf den Atmosphärendruck ausgeglichen wird;
- - daß das Probengas mit definierter, konstanter Strö mungsgeschwindigkeit mindestens einem Analysengerät für die Emissionskomponente zugeführt und durch das Analysengerät hindurchgesaugt wird, wobei das Konzentrationsprofil der Emissionskomponente erfaßt wird; und
- - daß aus dem Konzentrationsprofil der Emissionskompo nente unter Einbeziehung des Volumenstromverlaufs und des Temperaturverlaufs des Verbrennungsabgases während der Probengasentnahme der Massenstromverlauf der Emissionskom ponente ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probengasentnahme über dem Querschnitt des Abgasroh
res mit an allen Entnahmestellen gleicher Entnahmegeschwin
digkeit durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Probengas bei Verwendung mehrerer
Analysengeräte für mehrere Emissionskomponenten mit la
minarer Strömung auf die Analysengeräte verteilt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Probengas zeitgleich auf die Analysengeräte verteilt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Füllzeit des Speicherrohres 10 bis
15 Sekunden beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Analysendauer etwa das Zehnfache der Füllzeit des
Speicherrohres beträgt.
7. Vorrichtung zum Erfassen des Massenstromverlaufs min
destens einer Emissionskomponente eines durch ein Abgasrohr
(1) strömenden Verbrennungsabgases bei instationärer Emis
sion unter wechselnden Betriebsbedingungen,
gekennzeichnet durch
- - im Abgasrohr (1) angeordnete Strömungsgeschwindig keits- und Temperaturmeßgeräte (2; 2′), die an einen Rechner (3) angeschlossen sind;
- - eine mit dem Abgasrohr (1) verbundenes Probengas-Ent nahmesonde (4);
- - ein mit der Entnahmesonde (4) verbundenes Proben gas-Speicherrohr (5) mit integrierter Meßgaskühlung;
- - eine Einrichtung (6, 7) zum Steuern der Strömungsge schwindigkeit im Speicherrohr (5) während der Proben gas-Entnahme in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasrohr (1);
- - eine Einrichtung (9) zum Ausgleichen des Drucks im Speicherrohr (5) auf den Atmosphärendruck;
- - mindestens ein Analysengerät (10) für die Emissions komponente, das an den Rechner (3) angeschlossen ist; und
- - eine Einrichtung (13) zum Hindurchsaugen des Probenga ses durch das Analysengerät (10) mit konstanter, definierter Geschwindigkeit.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probengas-Entnahmesonde (4) sich über den Quer
schnitt des Abgasrohres (1) erstreckt und eine Entnahmeöff
nung aufweist, deren Größe eine gleiche Entnahmegeschwindig
keit an allen Entnahmestellen bewirkt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Analysengeräte (10)
für mehrere Emissionskomponenten ein Probengas-Verteiler
(14) mit einer Mehrzahl von Kanälen (15) vorgesehen ist, die
unter definiertem Winkel an einer Verteilstelle zusammenlau
fen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Analysengeräte (10) über Leitungen (16) gleicher
Länge mit dem Probengas-Verteiler (14) verbunden sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Speicherrohres
(5) ca. 8 mm beträgt.
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